Квант это в физике: Квант — все статьи и новости

Содержание

что такое квант и почему его так любят экстрасенсы — T&P

В зависимости от точки зрения квантовая теория — это либо свидетельство обширных успехов науки, либо символ ограниченности человеческой интуиции, которая вынуждена бороться со странностью субатомной сферы. Для физика квантовая механика — одна из трех великих опор, на которых основано понимание природы (наряду с общей и специальной теориями относительности Эйнштейна). Для тех, кто всегда хотел хоть что-нибудь понять в фундаментальной модели устройства мира, объясняют ученые Брайан Кокс и Джефф Форшоу в своей книге «Квантовая вселенная», которая вышла в издательстве МИФ. T&P публикуют небольшой отрывок о сути кванта и истоках теории.

Теории Эйнштейна имеют дело с природой пространства и времени и силой притяжения. Квантовая механика занимается всем остальным, и можно сказать, что, как бы она ни взывала к чувствам, сбивала столку или завораживала, это всего лишь физическая теория, описывающая то, как природа ведет себя в действительности. Но даже если мерить ее по этому весьма прагматичному критерию, она поражает своей точностью и объяснительной силой. Есть один эксперимент из области квантовой электродинамики, старейшей и лучше всего осмысленной из современных квантовых теорий. В нем измеряется, как электрон ведет себя вблизи магнита. Физики-теоретики много лет упорно работали с ручкой и бумагой, а позже с компьютерами, чтобы предсказать, что именно покажут такие исследования. Практики придумывали и ставили эксперименты, чтобы выведать побольше подробностей у природы. Оба лагеря независимо друг от друга выдавали результаты с точностью, подобной измерению расстояния между Манчестером и Нью-Йорком с погрешностью в несколько сантиметров. Примечательно, что цифры, получавшиеся у экспериментаторов, полностью соответствовали результатам вычислений теоретиков; измерения и вычисления полностью согласовывались.

Квантовая теория — возможно, наилучший пример, как бесконечно сложное для понимания большинства людей становится крайне полезным. Она сложна для понимания, поскольку описывает мир, в котором частица может реально находиться в нескольких местах одновременно и перемещается из одного места в другое, исследуя тем самым всю Вселенную. Она полезна, потому что понимание поведения малейших кирпичиков мироздания укрепляет понимание всего остального. Она кладет предел нашему высокомерию, потому что мир намного сложнее и разнообразнее, чем казалось. Несмотря на всю эту сложность, мы обнаружили, что все состоит из множества мельчайших частиц, которые двигаются в соответствии с законами квантовой теории. Законы эти настолько просты, что их можно записать на обратной стороне конверта. А то, что для объяснения глубинной природы вещей не требуется целая библиотека, уже само по себе одна из величайших тайн мира.

Представьте мир вокруг нас. Скажем, вы держите в руках книгу, сделанную из бумаги — перемолотой древесной массы. Деревья — это машины, способные получать атомы и молекулы, расщеплять их и реорганизовывать в колонии, состоящие из миллиардов отдельных частей.

Они делают это благодаря молекуле, известной под названием хлорофилл и состоящей из ста с лишним атомов углерода, водорода и кислорода, которые имеют изогнутую особым образом форму и скреплены еще с некоторым количеством атомов магния и водорода. Такое соединение частиц способно улавливать свет, пролетевший 150 000 000 км от нашей звезды — ядерного очага объемом в миллион таких планет, как Земля, — и переправлять эту энергию вглубь клеток, где с ее помощью создаются новые молекулы из двуокиси углерода и воды и выделяется дающий нам жизнь кислород.

Именно эти молекулярные цепи формируют суперструктуру, объединяющую и деревья, и бумагу в этой книге, и все живое. Вы способны читать книгу и понимать слова, потому что у вас есть глаза и они могут превращать рассеянный свет от страниц в электрические импульсы, интерпретируемые мозгом — самой сложной структурой Вселенной, о которой мы вообще знаем. Мы обнаружили, что все вещи в мире — не более чем скопища атомов, а широчайшее многообразие атомов состоит всего из трех частиц — электронов, протонов и нейтронов.

Мы знаем также, что сами протоны и нейтроны состоят из более мелких сущностей, именуемых кварками, и на них уже все заканчивается — по крайней мере, так мы думаем сейчас. Основанием для всего этого служит квантовая теория.

Таким образом, картину Вселенной, в которой обитаем мы, современная физика рисует с исключительной простотой; элегантные явления происходят где-то там, где их нельзя увидеть, порождая разнообразие макромира. Возможно, это самое выдающееся достижение современной науки — сведение невероятной сложности мира, включая и самих людей, к описанию поведения горстки мельчайших субатомных частиц и четырех сил, действующих между ними. Лучшие описания трех из четырех этих сил — сильного и слабого ядерных взаимодействий, существующих внутри атомного ядра, и электромагнитного взаимодействия, которое склеивает атомы и молекулы, — предоставляет квантовая теория. Лишь сила тяжести — самая слабая, но, возможно, самая знакомая нам сила из всех — в настоящий момент не имеет удовлетворительного квантового описания.

Стоит признать, что квантовая теория имеет несколько странную репутацию, и ее именем прикрывается множество настоящей ахинеи. Коты могут быть одновременно живыми и мертвыми; частицы находятся в двух местах одновременно; Гейзенберг утверждает, что все неопределенно. Все это действительно верно, но выводы, которые часто из этого следуют — раз в микромире происходит нечто странное, то мы окутаны дымкой тумана, — точно неверны. Экстрасенсорное восприятие, мистические исцеления, вибрирующие браслеты, которые защищают от радиации, и черт знает что еще регулярно прокрадывается в пантеон возможного под личиной слова «квант». Эту чепуху порождают неумение ясно мыслить, самообман, подлинное или притворное недопонимание либо какая-то особенно неудачная комбинация всего вышеперечисленного. Квантовая теория точно описывает мир с помощью математических законов, на столько же конкретных, как и те, что использовали Ньютон или Галилей. Вот почему мы можем с невероятной точностью рассчитать магнитное поле электрона.

Квантовая теория предлагает такое описание природы, которое, как мы узнаем, имеет огромную предсказательную и объяснительную силу и распространяется на множество явлений — от кремниевых микросхем до звезд.

Как часто бывает, появление квантовой теории спровоцировали открытия природных явлений, которые нельзя было описать научными парадигмами того времени. Для квантовой теории таких открытий было много, притом разнообразного характера. Ряд необъяснимых результатов порождал ажиотаж и смятение и в итоге вызвал период экспериментальных и теоретических инноваций, который действительно заслуживает расхожего определения «золотой век». Имена главных героев навсегда укоренились в сознании любого студента-физика и чаще других упоминаются в университетских курсах и посей день: Резерфорд, Бор, Планк, Эйнштейн, Паули, Гейзенберг, Шредингер, Дирак. Возможно, в истории больше не случится периода, когда столько имен будут ассоциироваться с величием науки при движении к единой цели — созданию новой теории атомов и сил, управляющих физическим миром.

В 1924 году, оглядываясь на предшествующие десятилетия квантовой теории, Эрнест Резерфорд, физик новозеландского происхождения, открывший атомное ядро, писал: «1896 год… ознаменовал начало того, что было довольно точно названо героическим веком физической науки. Никогда до этого в истории физики не наблюдалось такого периода лихорадочной активности, в течение которого одни фундаментально значимые открытия с бешеной скоростью сменяли другие».

Только до 30 июня для читателей T&P действует скидка на бумажную и электронную версии книги. Скидки активируются при переходе по ссылкам.

Термин «квант» появился в физике в 1900 году благодаря работам Макса Планка. Он пытался теоретически описать излучение, испускаемое нагретыми телами, — так называемое «излучение абсолютно черного тела». Кстати, ученого наняла для этой цели компания, занимавшаяся электрическим освещением: так двери Вселенной порой открываются по самым прозаическим причинам. Планк выяснил, что свойства излучения абсолютно черного тела можно объяснить, только если предположить, что свет испускается небольшими порциями энергии, которые он и назвал квантами.

Само это слово означает «пакеты», или «дискретные». Изначально он считал, что это лишь математическая уловка, но вышедшая в 1905 году работа Альберта Эйнштейна о фотоэлектрическом эффекте поддержала квантовую гипотезу. Результаты были убедительными, потому что небольшие порции энергии могли быть синонимичны частицам.

Идея того, что свет состоит из потока маленьких пулек, имеет долгую и славную историю, начавшуюся с Исаака Ньютона и рождения современной физики. Однако в 1864 году шотландский физик Джеймс Кларк Максвелл, казалось, окончательно рассеял все существовавшие сомнения в ряде работ, которые Альберт Эйнштейн позднее охарактеризовал как «самые глубокие и плодотворные из всех, что знала физика со времен Ньютона». Максвелл показал, что свет — это электромагнитная волна, распространяющаяся в пространстве, так что идея света как волны имела безукоризненное и, казалось бы, неоспоримое происхождение. Однако в серии экспериментов, которые Артур Комптон и его коллеги провели в Университете Вашингтона в Сент-Луисе, им удалось отделить световые кванты от электронов.

Те и другие вели себя скорее как бильярдные шары, что явно подтвердило: теоретические предположения Планка имели прочное основание в реальном мире. В 1926 году световые кванты получили название фотонов. Свидетельство было неопровержимым: свет ведет себя одновременно как волна и как частица. Это означало конец классической физики — и завершение периода становления квантовой теории.

Что такое кванты – Квантуз

На нынешнем ликбезе мы вынесем мозг рядовому гуманитарию темой, которая давно его интересует, но любые попытки почитать научно-познавательную литературу оканчивается зависанием над первой же формулой. Сейчас мы попросим всех физиков закрыть глаза и уши и расскажем остальным, что такое кванты. Наверняка, вы все постоянно встречаете это слово в литературе, телевизорах, интернетах, шаражкиных конторах и нанотехнолохотронах. Пора уже восполнить пробел и немножко врубиться в тему.


Самый простой способ объяснить, что такое кванты – это аналогия.

Возьмем расстояние между вашими глазами и монитором. Чисто математически это расстояние можно разделить на несколько отрезков. Сначала вполовину, потом еще на четыре, затем на восемь частей. И так, например, до бесконечности. И может показаться, что если вы захотите ткнуть пальцем в монитор, то не сможете это сделать, потому что это расстояние делится до бесконечности. Но вы знаете, что физически вы это сделаете без проблем, потому что, по-видимому, существует мельчайшая единица расстояния, меньше которой уже ничего нет.


Раньше считали, что мельчайший размер имеет атом, но нынче ученые докопались аж до кварков и суперструн. Но вопрос определения мельчайшего расстояния оставим физикам – рано или поздно нам предъявят эталон. Факт в том, что наш опыт подтверждает, что деление отрезка в реальности не бесконечно.

Эти рассуждения близки известному парадоксу Ахиллеса и черепахи. Древние тоже задумывались о бесконечности деления пространства. Так то!


Теперь возьмем другой пример из жизни. Энергию как она есть. Вы поджарили шашлык, и он, стало быть, теперь горячий. Излучает тепло, которое в общем случае является тем, что мы называем энергией, а физики – электромагнитными волнами. Жизненный опыт нам подсказывает, что энергия существует в виде непрерывных волн (помните, непонятные синусоиды на уроках алгебры). То есть энергия, как мы считаем, излучается непрерывно. До начала XX века все ученые мира тоже так думали.

А вот и нет. Выяснилось, что существует конечный кусочек энергии. Самая маленькая порция энергии, меньше которой не существует. Как и в случае с расстоянием, передачу энергии можно делить на кусочки (или пакеты, если вы вэб-программист, и вам так понятнее). Самый крошечный кусочек энергии и называют квантом.

Собственно на этом можно и закончить. Но ведь вам наверняка интересно, как это было обнаружено, да и почему из такого пустяка родилась целая наука – квантовая физика.

О том, что кванты существуют, никто не догадывался. Пока физики чисто из интереса не решили попрактиковаться в расчетах на всяких идеальных ситуациях. Они заморочились на так называемом абсолютно черном теле. Это такая выдуманная фиговина, типа духовки, которую нагревают, а она при этом не теряет (не отражает) ни капельки энергии – все тепло забирает себе без остатка.

Эта гипотетическая духовка после нагревания, разумеется, тоже начнет излучать тепло. Физики стали считать, сколько тепла (энергии) будет излучать такая духовка. И неожиданно у них по тогдашним, казалось бы логичным, формулам умника Максвелла выходила бесконечная энергия. Это была засада – практика показывала, что в реальности подобные бесконечности не наблюдается вообще нигде и тем более в духовках. И вот на этой ерунде вся классическая физика пошла лесом.

Первым что-то путное высказал Макс Планк – дедушка квантовой физики. Он чисто по-студенчески подогнал результат под задачу, придумав формулу, из которой следовало, что энергия излучается порциями. То есть каждая электромагнитная волна несет в себе определенное количество энергии, пропорциональное частоте этой волны. Чем больше частота волны, тем больше энергии несет в себе один квант. Коэффицент пропорциональности назвали постоянной Планка, которая впоследствии оказалась не просто какой-то случайной цифрой, а фундаментальной физической величиной.

Хорошая аналогия: когда мы играем на скрипке, и плавно увеличиваем громкость, то на самом деле громкость растет не непрерывно, а скачками, но такими маленькими, что мы не замечаем этого.


Планк, к сожалению, сам не понял, что открыл – до конца жизни он был противник квантовой физики. Квантование энергии было вообще очень оскорбительным для классиков. Один известный ученый-шутник (Гамов) объяснял квантование энергии так: это все равно, что природа разрешила либо пить целый литр пива сразу, либо вообще не пить ничего, не допуская промежуточных доз. Ну или аналогия от нас: вы покупаете пиво только в бутылках (разной емкости), но никакого розливного пива! Так получается и с энергией.


Формула Планка для излучения абсолютно черного тела выдала адекватный результат без всяких бесконечностей. Потому что кусочки энергии в отличие от бесконечно малых величин можно подсчитать. После этого научный мир замер в нехорошем предчувствии.

Окончательно добил классическую физику Эйнштейн. Его первым открытием была совсем не теория относительности. А объяснение фотоэффекта. За что он получил нобелевскую премию (а совсем не за ТО).

Фотоэффект – это когда свет падает на пластинку и выбивает из нее электроны. Только вот энергия выбитых электронов не зависит от увеличения мощности (яркости) света, хоть ставь сто ламп, но увеличивается только  число электронов, а не их скорость. Энергия же выбитых из пластинки электронов растет, если увеличить частоту волны света, уменьшая ее длину: то есть посветить не красным, а, например, фиолетовым светом. Свет с малой частотой, типа очень красного, вообще не производит эффекта. Это, кстати, напрямую касается великой тайны, почему фотографии проявляют при красном свете – только этот цвет не засвечивает пленку, улавливаете?

Явление фотоэффекта вообще никто не мог объяснить в рамках классической физики. На картинке, походу, нарисован прибор для изучения фотоэффекта.


Никто не мог, кроме Эйнштейна. Чтобы объяснить, почему цвет падающего луча света, а не его энергия, определяет скорость выбиваемых электронов, Эйнштейн решил перенести идейки о порциях энергии Планка на световую волну. Ведь озадаченный Планк применял свою теорию только к тепловым излучениям.

Для начала Эйнштейн впервые озвучил идею, что свет можно и нужно рассматривать не как волну, а как частицу (впоследствии ее назовут фотоном, а Эйнштейн называл ее световым квантом). Для любознательных: обычная лампочка в 100 Ватт излучает в секунду примерно сто миллиардов миллиардов фотонов (это 10 в 20 степени).

При фотоэффекте в силу размеров сражение между электроном и фотоном идет один на один. Чтобы фотон при столкновении с электроном вырвал последний из металлической пластинки, он должен иметь для этого достаточное количество энергии. А если применить формулу Планка именно для света, то выходило, что энергия каждого фотона пропорциональна частоте световой волны, то есть отдельно взятый фотон обладает определенной энергией, зависящей от собственной частоты. Вот и получалось, что частота света (его цвет) определяет скорость вылетающих электронов, а интенсивность (яркость) света влияет только на количество выбитых электронов. Это как сотни детишек будут сбивать снежками сосульки, но никто не сможет докинуть, а потом придет переросток из старшей группы и метнет снежок до самой крыши и собьет цель.

>
Таким образом, Эйнштейн показал, что электромагнитная волна (свет) состоит из маленьких частиц – фотонов, которые в свою очередь представляют собой маленькие порции или кванты света.


И после этого мир уже никогда не был прежним. Физики столкнулись с невероятным для макромира явлением, что материя может быть одновременно и частицей и волной, что энергия не делится бесконечно, а очень даже кратна некоему значению (постоянной Планка), что эти самые кванты обладают такими свойствами, что расскажи кому в приличной компании – не поверят и вызовут санитаров.

Эйнштейн был злостным противником квантовой физики. Он до самой смерти держал оборону, считая, что квантовые явления можно как-то нормально объяснить. Но разные там Нильсы Боры, Гейзенберги, Ландау и прочие открывали все новые и новые свойства квантов. А в 50-е годы, уже после смерти Эйнштейна квантовые штучки были подтверждены экспериментально и окончательно.

Может быть, в дальнейших наших ликбезах мы заглянем в парадоксы квантовой физики, если нам хватит слов и умения объяснить их человеческим гуманитарным языком.
Благодарим за внимание!


NB: Все изображения взяты из гугла (поиск по картинкам) – авторство определяется там же.
Незаконное копирование текста преследуется, пресекается, ну, и сами знаете.
..

Квантовая Физика Простыми Словами – Generasi Cerdas Keuangan

Вполне возможно, что на смену ей придет более совершенная теория. Планк выяснил, что свойства излучения абсолютно черного тела можно объяснить, только если предположить, что свет испускается небольшими порциями энергии, которые он и назвал квантами. Изначально он считал, что это лишь математическая уловка, но вышедшая в 1905 году работа Альберта Эйнштейна о фотоэлектрическом эффекте поддержала квантовую гипотезу. Результаты были убедительными, потому что небольшие порции энергии могли быть синонимичны частицам. Кроме того, по традиции «квантом действия» иногда называют постоянную Планка . В современном понимании это название может иметь тот смысл, что постоянная Планка является естественной единицей измерения действия и других физических величин такой же размерности (например, момента импульса). Нет сомнения, что квантовая физика объяснила очень богатое разнообразие фактов, достигая в большинстве случаев блестящего согласия между теорией и наблюдением.

Элементарный квант английских денег есть один фартинг, стоящий только половину американского элементарного кванта. Здесь мы имеем пример двух элементарных квантов, величину которых можно сравнивать друг с другом.

Фгуп «нии «квант»

Мы должны были отказаться от описания индивидуальных случаев как объективных явлений в пространстве и времени; мы должны были ввести законы статистического характера. Они являются основной характеристикой современной квантовой физики. Применяя статистический метод, мы не можем предсказать поведение отдельного индивидуума совокупности. Мы можем только предсказать вероятность того, что он будет вести себя некоторым определенным образом. В классической физике мы видели, что, если мы знаем координаты и скорость материальной точки в известный момент времени и действующие на нее силы, мы можем предсказать ее будущую траекторию. Мы видели также, как механистическая точка зрения применялась к кинетической теории вещества. Но в этой теории из наших рассуждений возникает новая идея.

A-list candidate for fault-free quantum computing delivers surprise – Phys.org

A-list candidate for fault-free quantum computing delivers surprise.

Posted: Wed, 22 Dec 2021 16:00:11 GMT [source]

Она не говорит нам о положении и скорости электрона в любой момент времени, ибо такой вопрос не имеет смысла в квантовой физике. Но она говорит нам о вероятности встретить электрон в том или ином месте или говорит нам о том, где мы имеем наибольший шанс встретить электрон. Результат относится не к одному, а ко многим повторяющимся измерениям.

Смотреть Что Такое “квант” В Других Словарях:

Если бы это утверждение потеряло свой смысл, то наши рассуждения о предсказании будущего пути были бы ошибочны. Мы знаем, что такая картина позволяет нам определить длину волны рентгеновских лучей. Дифракционная картина дает длину этих волн, а полное количественное согласие теории и эксперимента блестяще подтверждает правильность наших рассуждений. Например, стоячая волна может иметь и три узла — по одному на каждом конце и один в середине.

  • В то время как в классической физике мы говорили о координатах и скоростях одной частицы, теперь мы должны рассматривать волны вероятности в трехмерном континууме, соответствующие этой задаче об одной частице.
  • Он ввел в уравнение квант, значение которого в его глазах заключалось только в удобстве математического выражения.
  • Когда говорят о том, что какая-то величина квантуется, понимают, что данная величина принимает ряд определенных, дискретных значений.
  • Энергии в доли электрон-вольта хватает для возбуждения колебательных уровней основного состояния в атомах и молекулах.

Если разность между какими-либо энергетическими уровнями достаточно велика, то испускаться будет фотон ультрафиолетового света, давая линию за пределами видимого спектра. Ее наличие нельзя обнаружить невооруженным глазом; необходимо применить фотографическую пластинку.

Характеристические Поля

Сразу ясно, что квантовая теория света дает объяснение фотоэлектрическому эффекту. Взаимодействие между излучением и веществом состоит здесь из очень многих элементарных процессов, в которых фотон ударяется об атом и выбивает из него электрон. Эти элементарные процессы подобны друг другу, и вырванный электрон будет в каждом случае иметь одинаковую энергию. Нам становится понятным, что увеличение интенсивности света на нашем новом языке означает увеличение числа падающих фотонов.

Это можно сделать нагреванием, как в нашем примере с раскаленной проволокой, или другим путем, например бомбардировкой атомов другими электронами. Самая маленькая порция энергии, меньше которой не существует. Как и в случае с расстоянием, передачу энергии можно делить на кусочки (или пакеты, если вы, простигосподи, вэб-программист, арбитраж и вам так понятнее). Излучает тепло, которое в общем случае является тем, что мы называем энергией, а физики – электромагнитными волнами. Жизненный опыт нам подсказывает, что энергия существует в виде непрерывных волн (помните, непонятные синусоиды на уроках алгебры). То есть энергия, как мы считаем, излучается непрерывно.

1 3 Типы Семантического Поля

Волна вероятности для данного момента есть функция в трехмерном континууме, в то время как в случае струны отклонение для данного момента времени есть функция в одномерном континууме. Волна вероятности образует каталог наших сведений о квантовой системе и позволяет нам ответить на все разумные вопросы, относящиеся к этой системе.

Анналена не имеет отношения ни к судебной системе , ни в МВД , а выгнать дипломатов да, это в её компетенции. Жаль, что только двух. Двух можно бы было оставить, а всех прочих выгнать.

— Генри фон Квант (@Tpj8crnitLqY3xT) December 16, 2021

Нукло́ны (от лат. nucleus — ядро) — частицы, из которых построены атомные ядра. Так вот, если в нашем понимании электроны – это, скажем, стальные шарики, то на мишени отбивается рисунок ударов электронов по форме разрыва в препятствии. А по некоторым наблюдениям астрономов, часть галактик в скоплении Волоса Вероники не расширяются и там не работают центробежные силы.

Квантовая Теория Поля

Например, говорят – квант света, квант энергии или квант поля. Квантовая физика, это вообще такая штука, которую сложно (а порой и невозможно) помыслить или объяснить, но можно расчитать и доказать. А ОБЫЧНАЯ физика- это наоборот, представить можно, а расчитать сложно. Энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, практически используется в различных отраслях промышленности.

Так, энергия электрона в атоме квантуется, свет распространяется «порциями», то есть квантами. Если Вы вдруг поняли, что подзабыли основы и постулаты квантовой механики или вообще не знаете, что это за механика такая, то самое время освежить в памяти эту информацию. Ведь никто не знает, когда квантовая механика может пригодиться в жизни. Данная статья рассказывает о том, что «квант» – это понятие физики элементарных частиц.

На этом принципе построены, например, всем известные радиолампы. Мы можем взвешивать огромные количества песка и считать его массу непрерывной, хотя его зернистая структура очевидна. Но если бы песок стал очень драгоценным, а употребляемые весы очень чувствительными, мы должны были бы признать факт, что масса песка всегда изменяется на величину, кратную массе одной наименьшей частицы. Масса этой наименьшей частицы была бы нашим элементарным квантом. Из этого примера мы видим, как прерывный характер величины, до тех пор считавшейся непрерывной, обнаруживается благодаря увеличению точности наших измерений. Он до самой смерти держал оборону, считая, что квантовые явления можно как-то нормально объяснить.

Понятия дерева, лошади, любого материального тела — это творения, созданные на основе опыта, хотя восприятия, из которых они возникают, примитивны по сравнению с миром физических явлений. Кошка, терзающая мышь, тоже создает мышлением свою собственную примитивную реальность. Тот факт, что кошка всегда реагирует одинаковым образом по отношению к любой встречающейся ей мыши, показывает, что она создает понятия и теории, которые руководят ею в ее собственном мире чувственных восприятий. Если мы раньше учились, как толковать задачу с точки зрения классической физики, то квантовая механика дает свой собственный рецепт толкования аналогичной задачи.

Этот раздел физики, известный под названием физики ядра, развитию которой много содействовал Резерфорд, с экспериментальной точки зрения является наиболее интересным. Но в настоящее время все еще нет простой по своим основным идеям теории, которая объединяла бы богатое разнообразие фактов в области ядерной физики.

Типы Квантов

Глюкозы состоит из 6 атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода. Молекулы инертных газов и паров некоторых металлов одноатомны.

Наука вынуждает нас создавать новые понятия, новые теории. Их задача — разрушить стену противоречий, которая часто преграждает дорогу научному прогрессу. Все существенные идеи в науке родились в драматическом конфликте между реальностью и нашими попытками ее понять. Здесь мы снова кванты алхимики с уолл стрит имеем дело с проблемой, для решения которой нужны новые принципы. Современная экспериментальная физика разработала методы расщепления атомных ядер, превращения атомов одного элемента в атомы другого и вырывания из ядер тяжелых элементарных частиц, из которых ядра состоят.

Луи де Бройль. Глава V. Появление квантов в физике

Луи де Бройль. Глава V. Появление квантов в физике

Глава V. Появление квантов в физике

1. Классическая и квантовая физика

Наступило время перейти к введению понятия квантов в физику. Однако прежде чем излагать историю появления квантов, необходимо в нескольких словах остановиться на глубоком различии между классическими, доквантовыми теориями и квантовой теорией. Общим для всех классических теорий является предположение о возможности описывать состояния физического мира, задавая точное положение отдельных его частей в трехмерном пространстве. Это положение непрерывно изменяется со временем. При этом само движение определяется характером изменения положения со временем.

Разумеется, между прежними попытками и представлениями релятивистской теории есть существенное различие. В дорелятивистской физике пространство представляет собой некоторую фиксированную область, в которой протекают все физические явления, рассматриваемые любыми мыслимыми наблюдателями в одно и то же время, абсолютное и универсальное, которое задает свой ритм всем этим наблюдателям. В теории относительности, напротив, ни пространство, ни время не имеют абсолютного характера. Абсолютен лишь четырехмерный континуум, образованный объединением пространства и времени и называемый четырехмерным миром. Каждый наблюдатель из этого четырехмерного мира разными способами выделяет свое пространство и свое время. Однако, несмотря на это существенное различие во взглядах на пространство и время, как релятивистская, так и дорелятивистская физика в равной мере исходят из предположения о том, что все физические явления независимо от их характера и природы могут быть вполне определенно и однозначно описаны в рамках трехмерного пространства и времени. Так, например, движение какой-либо частицы определяется заданием последовательности вполне определенных положений ее в различные моменты времени совершенно независимо от физической природы этой частицы, скажем, от величины ее массы. Более того, так же как и в старой классической физике, в релятивистской теории вся эволюция физических явлений определяется неумолимой игрой дифференциальных уравнений, которые однозначно предсказывают все будущее. При описании четырехмерного пространства теория относительности предполагает заданной всю совокупность событий, соответствующих любому моменту времени. И релятивистская теория лишь несовершенством человека объясняет тот факт, что наблюдатель может раскрывать события в четырехмерном мире только последовательно шаг за шагом по мере течения его собственного времени. Утверждая, что каждый наблюдатель может однозначно локализовать события в пространстве и во времени, придавая пространственный характер длительности и рассматривая любые реальные предсказания, диктуемые самим характером пространства-времени, теория относительности сохраняет в силе вплоть до самых детальных следствий генеральные идеи прежней физики. Поэтому можно сказать, что, несмотря на такой новый, почти революционный характер эйнштейновских концепций, теория относительности в определенном смысле явилась венцом именно классической физики.

Современная квантовая физика смотрит на вещи совершенно иначе. Во введении к этой книжке мы уже указали на некоторые из главных особенностей квантовой теории. Само существование кванта действия, как мы говорили, выражает своего рода взаимную связь между локализацией некоторого объекта во времени и в пространстве и его динамическим состоянием. С точки зрения классической физики эта связь представляется совершенно необъяснимой и гораздо более непонятной по следствиям, к которым она приводит, чем связь между пространственными переменными и временем, установленная теорией относительности.

Из существования этой взаимосвязи вытекает невозможность одновременного определения координаты и скорости, выражаемая на математическом языке соотношением неопределенности Гейзенберга. Это соотношение указывает на то, что нельзя и каком-либо эксперименте одновременно проводить измерения пространственно-временных координат и параметров, определяющих динамическое состояние системы.

Анализ этого сложного вопроса показывает, что с точки зрения квантовой физики пространственно-временное описание событий, принятое в классической (и даже в релятивистской) физике, должно рассматриваться лишь как приближение, справедливое только для сравнительно тяжелых тел. А под тяжелыми телами мы понимаем тела, состоящие из чрезвычайно большого числа элементарных частиц и, следовательно, обладающие полной массой, во много раз превышающей массу любой из элементарных частиц. К таким телам относятся, в частности, все используемые нами обычно в экспериментах тела. Этим и объясняется то, что при изучении крупномасштабных явлений классическая физика прекрасно могла обходиться этим пространственно-временным описанием.

Система координат, связанная с каким-либо материальным телом, и часы, синхронизованные соответствующим образом, позволяют, следуя методам классической физики, удовлетворительно описывать все макроскопические явления. Но при попытке использовать таким образом определенные пространственно-временные координаты для описания процессов, происходящих в микромире, мы сталкиваемся с соотношениями неопределенности Гейзенберга. Из этих соотношений вытекает, что понятия пространства и времени, используемые в классической физике и вполне применимые для описания макроскопических явлений, становятся неприменимыми при описании явлений атомного масштаба.

Однако мы, физики, все же упорно пытаемся описывать мир элементарных частиц с помощью прежних понятий пространства и времени, привитых нам повседневным опытом. Отсюда и трудности, возникающие при изучении квантовой теории, поэтому нам и кажется столь странным само понятие кванта действия. Быть может и окажется возможным ввести для мира атома понятия пространства и времени каким-либо более общим способом, чем это делается в классической физике. Однако эти новые понятия должны как-то отражать существование кванта действия и более тесную, чем в классической физике, связь между чисто геометрическими и динамическими понятиями. Кроме того, в случае систем, состоящих из очень большого числа элементарных частиц, т.е., иначе говоря, при описании макроскопических явлений, они должны позволить перейти к обычным понятиям пространства и времени. Интересные работы в этом направлении уже сделаны Детушем. Во всяком случае, не следует забывать о такой возможности.

Абсолютный детерминизм классической физики в значительной мере покоится на понятиях пространства и времени. Приведя к глубоким изменениям во взглядах на пространство и время, теория относительности тем не менее сохранила принцип классического детерминизма. Совершенно иначе обстоит дело в квантовой механике. Отвергая точное пространственно-временное описание явлений, во всяком случае явлений масштаба атома, она отвергает также и принцип классического детерминизма в его старом смысле.

Невозможность одновременного определения точного положения микроскопической системы и ее динамического состояния, вытекающая из существования кванта действия, приводит к тому, что никакие последовательно проводимые измерения систем атомного мира не дают возможности определить все детали процесса, позволяющие согласовать результаты этих измерений с принципом классического детерминизма.

Действительно, современная квантовая теория дает возможность определить только вероятностные законы, позволяющие по результатам первого измерения указать вероятность того, что при последующем измерении будет получен тот или иной результат. Эта замена точных законов вероятностными при описании микромира связана, конечно, с тем, что в этой области нельзя применить обычные представления о пространстве и времени. Для объектов же макромира эти представления оказываются, если так можно выразиться, асимптотически справедливыми. Вероятностный характер законов квантовой теории при этом исчезает и принимает вид достоверных однозначных законов, и принцип классического детерминизма вновь вступает в силу.

Из всего этого следует, что в теоретической физике произошел существенный переворот в тот момент, когда стала очевидна необходимость учитывать квант действия. А как все это происходило?

2. Теория излучения черного тела. Квант действия Планка

 

 

Начало развитию квантовой теории положили относящиеся к 1900 г. работы Макса Планка по теории излучения черного тела. Попытка построить теорию излучения черного тела на основе законов классической физики привела к серьезным трудностям. Объясним, прежде всего, в чем заключались эти трудности.

Рассмотрим замкнутую полость, поддерживаемую при постоянной температуре и содержащую какие-либо материальные тела, способные испускать и поглощать излучение. Если эти материальные тела имели в начальный момент какую-либо температуру, отличную от температуры полости, то с течением времени в результате процессов испускания и поглощения температура их будет стремиться к температуре полости, т.е. система будет стремиться к состоянию термодинамического равновесия, характеризуемому равновесием между поглощаемой и излучаемой в единицу времени энергией.

На основе лишь самых общих термодинамических законов Кирхгоф показал, что это состояние равновесия единственно и характеризуется определенным спектральным распределением плотности энергии излучения, заключенного в этой полости. Более того, он показал, что функция, определяющая это спектральное распределение, носит универсальный характер, т.е. совершенно не зависит ни от размеров или формы рассматриваемой полости, ни от свойств заключенных в ней материальных тел, и полностью определяется температурой полости и, разумеется, частотой. Такое равновесное излучение, характеризуемое некоторой определенной температурой, получило не совсем удачное название черного излучения, соответствующего этой температуре.

Таким образом, перед теоретической физикой встала задача найти явный вид этой функции, определяющей спектральную плотность энергии черного излучения. Сначала эту задачу пытались решить методами, опирающимися исключительно на термодинамические законы и, следовательно, гарантирующими достаточную общность и достоверность результата. При этом удалось показать, что полная плотность энергии черного излучения (т.е. энергия излучения, содержащаяся в единице объема внутренней части полости, находящейся в термодинамическом равновесии), пропорциональна четвертой степени температуры по Кельвину. Это закон Стефана – Больцмана.

Несколько позже с помощью весьма остроумного метода Вин доказал, что спектральная плотность энергии черного излучения, соответствующая данной частоте, должна быть пропорциональна произведению куба частоты на некоторую функцию, зависящую только от отношения частоты к температуре. Явный же вид этой функции установить с помощью одних только термодинамических методов Вину, к сожалению, не удалось.

Законы Стефана – Больцмана и Вина давали очень ценные сведения о функции спектрального распределения и прекрасно подтвердились экспериментом. Однако они совершенно ничего не могли сказать о конкретном характере распределения. В дальнейшем стало ясно, что с помощью одних только термодинамических методов продвинуться дальше в этом направлении не удастся. Для определения явного вида функции спектрального распределения необходимо было сделать какие-либо конкретные предположения о характере поглощения и испускания излучения – отважиться покинуть твердую почву термодинамики – и вступить на рискованный путь гипотез, касающихся атомной структуры.

На первый взгляд это не трудно было сделать, поскольку электродинамика, в частности, в том виде, который придал ей Лоренц, давала, казалось, вполне удовлетворительную модель процессов испускания и поглощения излучения материей. Оставалось лишь использовать полученные в электронной теории формулы и с их помощью определить точный закон спектрального распределения плотности энергии черного излучения. Но результат оказался совершенно неожиданным. Найденное таким образом спектральное распределение (закон Рэлея) противоречило эксперименту.

Согласно закону Рэлея спектральная плотность энергии излучения должна монотонно возрастать с увеличением частоты. В то же время эксперимент определенно указывал на то, что с увеличением частоты спектральная плотность вначале растет, а затем, начиная с некоторой частоты, соответствующей максимуму плотности, падает, стремясь к нулю, когда частота стремится к бесконечности. Иначе говоря, кривая спектральной плотности энергии имеет колоколообразный вид. Поскольку по закону Рэлея спектральная плотность оказывалась монотонно возрастающей функцией частоты, то отсюда следовал, очевидно, абсолютный вывод; полная плотность энергии черного излучения при всех температурах должна быть бесконечной!

Положение, сложившееся в результате этого расхождения между теорией и экспериментом, было очень серьезным, так как оно свидетельствовало, и многие физики это сознавали, о каком-то существенном недостатке классических теорий, непосредственным следствием которых был закон Рэлея. Легко показать (Джинс), что закон Рэлея можно получить также, применяя общие методы классической статистики к совокупности волн, заключенных внутри замкнутой полости. Все попытки получить формулу для функции спектральной плотности энергии черного излучения, отличную от формулы Рэлея и согласующуюся с экспериментом, окончились неудачей. Стало ясно, что успешно решить проблему излучения черного тела можно только, если в науку о природе будет введен какой-то совершенно новый взгляд на вещи. Честь этого революционного шага принадлежит Максу Планку.

Планк начал свое исследование, представляя вещество в виде совокупности электронных осцилляторов, т.е. электронов, колеблющихся около своего положения равновесия под действием некоторой силы, пропорциональной удалению от положения равновесия. Он поставил перед собой задачу исследования теплового равновесия, устанавливающегося в результате обмена энергией между осцилляторами и излучением. Поскольку характер спектрального распределения энергии равновесного излучения не должен зависеть от природы материальных тел, находящихся внутри полости, то полученный при таком рассмотрении результат должен носить общий характер. Применяя к этой задаче методы классической физики, Планк получил, естественно, закон Рэлея. Но, анализируя полученные результаты, ученый заметил, что неправильность закона Рэлея определяется слишком большой ролью, которую в классической картине обмена энергией между осцилляторами и излучением играют высокочастотные осцилляторы. В самом деле, именно преувеличенная роль обмена энергией между равновесным излучением и материальными осцилляторами с высокой частотой приводит к монотонному возрастанию спектральной плотности с ростом частоты и к неправильным экспериментальным следствиям или к логическим абсурдам, о которых мы упомянули выше.

Планку пришла в голову гениальная мысль, что нужно ввести в теорию некоторый новый элемент, совершенно, разумеется, чуждый классическим представлениям, который должен подавить значение осцилляторов высокой частоты, и он выдвинул знаменитый постулат: вещество не может испускать энергию излучения иначе как конечными порциями, пропорциональными частоте этого излучения. Коэффициент пропорциональности при этом есть некоторая универсальная постоянная, имеющая размерность механического действия. Это и есть знаменитая постоянная Планка h.

Введя в игру эту парадоксальную гипотезу, Планк построил теорию теплового равновесия и вывел новый закон распределения спектральной плотности энергии черного излучения, который носит его имя. Поскольку в предположениях Планка ничто не противоречило принципам термодинамики, то полученное им выражение находилось в полном согласии с законом Стефана и законом Вина. Напротив, оно существенно отличалось от формулы Рэлея, совпадая с ней только в области малых частот и высоких температур.

Для высоких частот и низких температур это выражение привело к совершенно другим результатам. Это и понятно. При низких частотах и высоких температурах в энергетическом обмене между веществом и излучением участвует большое число очень маленьких порций энергии, и таким образом с достаточной точностью можно пренебречь дискретным «характером изменения энергии и считать, что она меняется непрерывно. При этом получаются, разумеется, результаты, полностью совпадающие с классическими. В случае же высоких частот и низких температур в обмене энергией участвует небольшое число сравнительно больших порций энергии и дискретность изменения энергии оказывается существенной.

Таким образом, закон спектрального распределения Планка позволяет определить область применимости закона Рэлея, ограничивая ее малыми значениями частот и высокими температурами. В области малых температур и высоких частот закон Рэлея оказывается неприменимым и необходимо пользоваться законом Планка. В противоположность закону Рэлея, который приводил к монотонному росту спектральной плотности энергии черного излучения, закон Планка указывает, что спектральная плотность энергии вначале монотонно растет с частотой, а затем, пройдя через некоторый максимум, монотонно убывает, стремясь к нулю при частоте, стремящейся к бесконечности. Кривая изменения спектральной плотности в зависимости от частоты имеет колоколообразный вид, а полная плотность энергии черного излучения, как легко показать, оказывается конечной. Таким образом, была разрешена одна из серьезнейших трудностей классической физики.

Сравнение закона Планка с результатами экспериментов, точность и число которых непрерывно возрастали, показало, что имеется полное согласие теории Планка с опытом, и позволило с большой точностью определить численное значение постоянной Планка. Выраженное в обычно используемых в физике единицах, оно оказалось чрезвычайно мало. Замечательно, что уже первое значение этой постоянной, найденное из опытов с черным излучением, было определено с большой точностью. В дальнейшем было показано, что численное значение постоянной Планка может быть найдено с помощью многих других экспериментов. И все эти измерения, проводившиеся с все большей и большей точностью, давали для постоянной hзначения, очень близкие к тем, которые были найдены Планком из опытов с равновесным излучением.

В то время, когда Планк написал свои основные работы по теории черного излучения, его современники, вероятно, еще не осознали полностью всей важности совершившейся революции.

Введение предложенной Планком гипотезы казалось просто остроумным приемом, позволяющим улучшить теорию интересного, но в общем-то довольно частного явления, а отнюдь не воспринималось как гениальная мысль, которая должна привести к изменению основных концепций классической физики. Но постепенно важность идей Планка становилась все более очевидной. Теоретики стали понимать, что прерывность, вносимая гипотезой квантов, несовместима с основными положениями, лежащими в основе классической физики, и требует их полного пересмотра и можно только восхищаться гениальностью Планка, который, изучая частное физическое явление, оказался в состоянии угадать один из самых основных и наиболее загадочных законов природы. Более сорока лет прошло со дня этого замечательного открытия, но мы все еще далеки от полного понимания значения этого закона и всех его следствий. День, когда была введена постоянная Планка, останется одной из самых замечательных дат в истории развития человеческой мысли.

3.

Развитие гипотезы Планка. Квант действия
 

 

При построении своей теории равновесного теплового излучения Планк исходил из предположения, что вещество представляет собой совокупность электронных осцилляторов, при посредстве которых и происходит обмен энергией между материей и излучением. Такой осциллятор представляет собой материальную точку, удерживаемую около своего положения равновесия силой. Величина этой силы возрастает пропорционально отклонению от положения равновесия, и осциллятор является механической системой, характеризуемой одним своеобразным свойством. Это свойство заключается в том, что частота колебаний осциллятора не зависит от величины его амплитуды.

Следуя Планку, определим квант энергии осциллятора как величину, равную произведению частоты этого осциллятора на постоянную h, и предположим, что при взаимодействии осциллятора с излучением он может терять или приобретать энергию только скачком, причем величина этого скачка равна соответствующему кванту энергии. Но в таком виде гипотеза квантования энергии оказывается применимой только в случае гармонических осцилляторов. Действительно, в общем случае системы, частота колебаний которой не постоянна, а зависит от амплитуды колебаний, введенное определение кванта энергии становится неоднозначным. Планк понимал необходимость дать более общую формулировку принципа квантования, применимую к любым механическим системам и совпадающую в частном случае гармонического осциллятора с приведенной выше. Он рассуждал следующим образом. Поскольку постоянная имеет размерность действия, т.е. размерность произведения энергии на время или количества движения на путь, то ее можно рассматривать как элементарное количество действия, своего рода единицу действия в атомном мире. Рассмотрим теперь механическую систему, совершающую периодическое движение и характеризуемую только одной переменной, скажем, систему, состоящую из одной частицы, совершающей периодическое движение вдоль некоторой, прямой. Для такой системы можно вычислить интеграл действия по Мопертюи, который совпадает с интегралом действия, фигурирующим в принципе наименьшего действия, взятым по полному периоду движения.

Эта величина является определенной характеристикой периодического движения. Требуя, чтобы она равнялась произведению целого числа на постоянную Планка, получаем новую формулировку принципа квантования, применимую к любому одномерному периодическому движению. Легко убедиться, что в частном случае гармонического осциллятора этот новый принцип полностью эквивалентен прежнему принципу квантования энергии. Чтобы придать принципу квантования более общую форму, Планку пришлось отказаться от первоначальной гипотезы квантования энергии и заменить ее гипотезой о квантовании действия.

То, что в общей формулировке принципа квантования фигурирует именно действие, было одновременно и естественным, и несколько странным. Естественным потому, что эта величина играет существенную роль во всей аналитической механике согласно принципу Гамильтона и принципу наименьшего действия. Это в свою очередь привело к тому, что весь аппарат аналитической механики как бы уже был готов воспринять новый принцип квантования. Странным квантование именно действия казалось потому, что с чисто физической точки зрения трудно было понять, как такая величина, как действие, носящая довольно абстрактный характер и не удовлетворяющая непосредственно никаким законам сохранения, может представлять собой характеристику дискретности процессов атомного мира.

Действие всегда выражается в виде произведения некоторых величин, имеющих геометрическую природу, на соответствующие величины, имеющие динамическую природу. Пары этих величин образуют в аналитической механике канонически сопряженные переменные. Так, интеграл, фигурирующий в принципе наименьшего действия Мопертюи, есть криволинейный интеграл от количества движения вдоль траектории. И своего рода дискретность действия, выражаемая введением постоянной Планка, указывает на наличие определенной взаимосвязи между пространством и временем, с одной стороны, и динамическими явлениями, которые мы пытаемся локализовать в этом пространстве и времени, с другой. Эта взаимосвязь носит совершенно новый характер, абсолютно чуждый концепциям классической физики. И в этом заключается глубокое и революционное значение идей, положенных Планком в основу теории равновесного излучения черного тела.

Планк исходил из предположения, что вещество может испускать излучение не непрерывно, а только отдельными конечными порциями. Это, однако, не влечет за собой однозначного предположения о дискретности структуры излучения. Можно построить две различные теории, покоящиеся на двух противоположных предположениях относительно характера поглощения излучения веществом. В основе первой, пожалуй, более последовательной и завоевавшей впоследствии всеобщее признание, лежит предположение о том, что элементы вещества, например электронные осцилляторы, могут находиться только в таких состояниях движения, которые соответствуют квантованным значениям энергии. Отсюда непосредственно следует, что как испускание, так и поглощение излучения может происходить только дискретно отдельными порциями, или квантами. Это в свою очередь необходимо влечет за собой утверждение о дискретности структуры излучения.

Смущенный этим непонятным следствием своих собственных идей, Планк долгое время пытался развивать другую, менее радикальную форму квантовой теории, в которой только испускание излучения носило дискретный характер, а поглощение оставалось непрерывным. Считалось, что вещество может непрерывно поглощать падающее на него излучение, но испускать его оно может лишь дискретно, отдельными квантами. Легко понять цель, которую Планк преследовал. Он старался защитить и сохранить прежнее представление о непрерывной природе излучения, поскольку казалось, что только в этом случае квантовая теория не будет противоречить волновой теории, нашедшей неоднократные подтверждения в многочисленных и весьма точных экспериментах.

Однако, несмотря на всю изобретательность, вложенную Планком в развитие этой формы квантовой теории, она была опровергнута дальнейшим ходом физики и, в частности, эйнштейновым объяснением фотоэффекта и успехом теории атома Бора.

4. Фотоэлектрический эффект и дискретная природа света

 

 

Открытие явления фотоэффекта и его дальнейшее изучение принесло физикам много неожиданного. Сущность фотоэффекта состоит в испускании веществом быстрых электронов под воздействием достаточно коротковолнового излучения, падающего на это вещество. При этом оказывается, и это очень существенно, что энергия испускаемых электронов совершенно не зависит от интенсивности поглощаемого излучения, а определяется только его частотой и свойствами самого вещества. От интенсивности излучения зависит только полное число испускаемых электронов. Этим простым эмпирическим законам оказалось очень трудно дать удовлетворительное теоретическое объяснение. В частности, большие трудности встретили на своем пути попытки объяснить элементарный механизм высвобождения фотоэлектрического электрона, или, как сейчас принято говорить, фотоэлектрона.

Действительно, волновая теория света, которая к 1900 г. казалась совершенно безупречной и неоспоримой, приводила к представлению о равномерном распределении энергии излучения в световой волне. Падая на электрон, световая волна непрерывно передает ему энергию, причем количество энергии, полученной электроном в единицу времени, например в секунду, согласно волновой теории должно быть пропорционально интенсивности падающей на него волны. Поэтому объяснить законы фотоэффекта казалось очень трудно.

В 1905 г. Эйнштейн высказал замечательную мысль о том, что фотоэлектрический эффект указывает на дискретное строение света, связанное с существованием квантов. Первоначально гипотеза Планка в ее наиболее смелой форме состояла в предположении, что вещество может поглощать энергию излучения только конечными порциями, пропорциональными частоте. Успех планковой теории черного излучения подтвердил справедливость этой гипотезы. Но если эта гипотеза верна, то представляется вполне вероятным, что дискретная природа света, проявляющаяся в моменты поглощения и испускания, должна сохраняться также и в остальные промежуточные моменты времени, т.е. тогда, когда излучение свободно распространяется в пространстве.

Эйнштейн допустил, что любое монохроматическое излучение состоит из совокупности квантов, причем энергия каждого кванта пропорциональна частоте, а коэффициент пропорциональности равен, разумеется, постоянной Планка. Это позволило легко объяснить законы фотоэффекта. В самом деле, электрон, находящийся внутри вещества, поглощая квант света, либо покинет вещество, либо останется внутри него. Все зависит от того, превышает ли энергия светового кванта работу, которую надо совершить электрону, чтобы покинуть вещество, т.е. как говорят, работу выхода. Следовательно, кинетическая энергия выбитого электрона будет равна энергии поглощенного светового кванта минус работа выхода.

Таким образом, кинетическая энергия испускаемых электронов должна быть линейной функцией частоты падающего излучения, а коэффициент пропорциональности численно должен быть равен постоянной Планка. Все эти выводы оказались в прекрасном соответствии с опытом. Исследования зависимости фотоэффекта от частоты падающего света показывают, что фотоэлектроны возникают лишь тогда, когда частота начинает превышать некоторое значение: порог фотоэффекта.

В области частот, превышающих пороговое значение, кинетическая энергия электронов с большой точностью оказывается линейной функцией частоты падающего света. Измерения тангенса угла наклона кривой, представляющей зависимость энергии фотоэлектронов от частоты, показали, что он численно равен постоянной Планка. С точки зрения выдвинутой Эйнштейном гипотезы интенсивность падающего света определяется, естественно, числом световых квантов, падающих в секунду на один квадратный сантиметр освещаемой поверхности. Следовательно, число фотоэлектронов, испускаемых единицей поверхности в единицу времени, должно быть пропорционально интенсивности освещения.

Таково было объяснение законов фотоэффекта, предложенное Эйнштейном в 1905 г. Эту теорию он назвал квантовой теорией света. В настоящее время кванты света называются фотонами и поэтому теория Эйнштейна получила название фотонной теории. В течение последующих тридцати лет существование фотонов было неоднократно подтверждено многими опытами. Опыты по фотоэффекту, проводившиеся со все возрастающей точностью, не только со светом, но также с рентгеновскими лучами и «гамма»-лучами, подтвердили справедливость положений, выдвинутых Эйнштейном, и развитой им фотонной теории. Поскольку частоты, соответствующие рентгеновским и «гамма»-лучам, сильно превышают частоту видимого света, то и энергия соответствующих квантов много больше энергии фотонов.

Таким образом, эти лучи оказываются способными вырывать не только слабо связанные электроны, находящиеся в поверхностном слое вещества, но также и внутренние электроны, прочно связанные с ядрами атомов. Поскольку изучение спектров рентгеновских лучей позволяет очень точно определить работу, необходимую для вырывания какого-либо внутреннего электрона данного атома, то измерения с рентгеновскими лучами позволяют найти работу выхода с относительной точностью, гораздо большей, чем в случае опытов со светом. Следовательно, эксперименты с рентгеновскими лучами и «гамма»-лучами послужили еще одной серьезной проверкой правильности теоретических положений Эйнштейна. Их блестящее экспериментальное подтверждение явилось веским доводом в пользу корпускулярной теории света.

Открытие в 1923 г. еще одного явления дало новые доказательства существования фотонов. Мы имеем в виду эффект Комптона. Известно, что при падении излучения на некоторое материальное тело часть энергии излучения рассеивается во всех направлениях в виде рассеянного излучения.

Электромагнитная теория объясняла это явление следующим образом. Под действием электрического поля падающей волны электроны, входящие в состав материальных тел, начинают колебаться и, излучая, оказываются, таким образом, элементарными источниками вторичных сферических волн, распространяющихся во всех направлениях и приводящих к перераспределению энергии падающей волны. Согласно этому, если первичная волна была монохроматической, то и рассеянное излучение должно быть монохроматическим и обладать частотой, в точности равной частоте первичной волны. В течение весьма длительного времени казалось, что электромагнитная теория прекрасно объясняет не только рассеяние света материальными телами, но также и рассеяние рентгеновских лучей. Законы рассеяния, предсказываемые этой теорией, подтверждались с большой степенью точности. Но более тщательное изучение этого вопроса показало, что в опытах по рассеянию рентгеновских лучей наряду с излучением основной частоты имеется также компонента излучения с частотой, несколько меньшей, чем частота падающего излучения – факт совершенно необъяснимый с классической точки зрения. Это явление было установлено американским физиком Комптоном, который не только с достоверностью доказал существование этого нового эффекта, но также тщательно изучил законы этого явления и предложил его объяснение. Наиболее характерной особенностью открытого Комптоном явления была зависимость частоты рассеянного излучения от угла рассеяния и независимость ее от природы рассеивающего тела. Комптон и почти в то же время Дебай указали, что все основные особенности этого нового явления могут быть объяснены, если рассматривать взаимодействие между электроном и электромагнитной волной как соударение электрона с падающим квантом излучения, или фотоном.

В момент соударения между электроном и первичным фотоном происходит обмен энергией и импульсом, а поскольку электрон почти всегда можно считать неподвижным по сравнению с фотоном, то в результате такого соударения электрон приобретает, а фотон теряет энергию. Так как частота, соответствующая фотону, пропорциональна его энергии, то после соударения он должен обладать меньшей частотой, чем до соударения.

Великолепно согласующаяся с экспериментальными данными теория эффекта Комптона чрезвычайно проста и позволяет, используя лишь законы сохранения импульса и энергии, точно определить зависимость частоты рассеянного фотона от угла рассеяния. Независимость частоты рассеянного излучения от природы рассеивающего тела объясняется элементарно. Действительно, в акте рассеяния участвуют лишь падающие фотоны и электроны, свойства которых совершенно не зависят от конкретной природы вещества, в состав которого они входят.

Теория Комптона – Дебая так просто и изящно объяснила наиболее существенные особенности комптоновского рассеяния, что сразу стала еще одним блестящим доказательством справедливости фотонной теории света.

В качестве еще одного подтверждения фотонной теории можно указать, например, на эффект Рамана, открытый немного позже эффекта Комптона. Эффект Рамана заключается в изменении частоты рассеянного излучения в области видимого света. Важное отличие этого эффекта от эффекта Комптона состоит в том, что в этом случае частота рассеянного света существенно зависит от природы рассеивающего тела. Кроме того, рассеяние сопровождается также и увеличением частоты. Однако интенсивность рассеянного света с большей частотой гораздо слабее интенсивности света, рассеиваемого с уменьшением частоты. Фотонная теория очень хорошо объяснила все характерные особенности этого явления и дала простое объяснение даже преобладанию рассеяния с уменьшением частоты над рассеянием с увеличением частоты, что было совершенно не под силу классическим теориям.

Короче говоря, за тридцать лет своего существования гипотеза о дискретности природы света оказалась настолько плодотворной, что в настоящее время уже не остается сомнений в ее достоверности. Она открывает новую существенную сторону физической реальности. Но эта гипотеза встречает на своем пути также трудности и вызывает возражения, возникшие еще во времена первых работ Эйнштейна по квантовой теории света.

Прежде всего, возникает вопрос, как совместить дискретность структуры света с волновой теорией, столь неоспоримо подтвержденной многими точными экспериментами? Как совместить между собой существование неделимого кванта света и явления интерференции? В частности, как показал Лоренц, невозможно определить разрешающую способность оптических инструментов (например, телескопа), исходя из предположения о концентрации световой энергии в фотонах, локализованных в пространстве. А как объяснить с точки зрения фотонной теории те же явления интерференции?

Конечно, можно было бы предположить, что явления интерференции связаны с взаимодействием большого числа фотонов, одновременно участвующих в процессе. Но тогда интерференционные явления должны были бы зависеть от интенсивности света и в случае достаточно малой интенсивности, когда в интерференционный прибор попадает одновременно не более одного фотона, вовсе бы отсутствовали. Такой эксперимент впервые был поставлен Тейлором и привел к отрицательному результату. Опыт показал, что какова бы ни была интенсивность падающего света, интерференционная картина остается одной и той же при условии, конечно, что время экспозиции будет достаточно велико. Это указывает на то, что каждый фотон, взятый в отдельности, участвует в явлении интерференции – факт чрезвычайно странный, если считать фотоны локализованными в пространстве.

Другая трудность, которая возникает, если пытаться последовательно придерживаться гипотезы о чисто корпускулярной природе света, состоит в следующем. Самый способ, которым Эйнштейн вводит понятие кванта света, или фотона, опирается на понятие частоты, в свою очередь связанное с представлением о некотором непрерывном периодическом процессе. Чисто же корпускулярные представления об излучении как о совокупности фотонов никак не позволяют определить какую-либо периодичность, частоту. В действительности, частота, фигурирующая в определении кванта, – это частота, заимствованная у волновой теории, которая выводится из явлений дифракции и интерференции. Значит, само определение энергии фотона как произведения частоты на постоянную Планка с чисто корпускулярной точки зрения непоследовательно. Более того, оно как бы устанавливает связь между волновой концепцией света и вновь возродившейся с открытием фотоэффекта корпускулярной концепцией. Однако было бы неправильно думать, что до открытия фотоэффекта последняя не имела под собой никаких оснований.

Явления отражения света от зеркал, прямолинейность его распространения в однородных средах, да и вообще вся геометрическая оптика с ее понятием световых лучей очень естественно укладываются в баллистическую корпускулярную картину. Но теория Френеля, великолепно объяснив все эти баллистические аспекты с чисто волновой точки зрения, привела к тому, что корпускулярная картина оказалась не у дел. Открытие фотоэффекта заставило снова вернуться к представлениям такого рода, хотя, конечно, уже соотношение Эйнштейна между энергией фотона и его частотой показывало, что волновая концепция не отвергается начисто и фотонная теория должна как-то объединить волновые и корпускулярные представления таким образом, чтобы оба аспекта имели определенный физический смысл.

Наконец, следует указать еще на одну тонкость. Согласно классическим представлениям энергия материальной частицы – это величина, имеющая какое-то вполне определенное значение. В теории же излучения никакое излучение нельзя рассматривать как строго монохроматическое, поскольку оно всегда содержит компоненты, частоты которых отличаются друг от друга. Ширина этого спектрального интервала может быть очень мала, но все же всегда отлична от нуля. Этот факт Планк подчеркивал уже в первых своих работах по теории излучения черного тела. Вследствие этого соотношение Эйнштейна, приравнивающее энергию частицы света, фотона, частоте, соответствующей классической волне, умноженной на h, носит несколько парадоксальный характер, поскольку оно приравнивает одну величину, имеющую вполне определенное значение, другой, не имеющей, строго говоря, никакого определенного значения. Дальнейшее развитие квантовой механики раскрыло истинный смысл этого противоречия.

Итак, можно сказать, что фотонная гипотеза, превосходно объясняющая явления фотоэффекта и комптоновского рассеяния, не дает возможности построить последовательную корпускулярную теорию излучения. Она требует развития более глубокой теории, в которой излучение может обладать и волновым и корпускулярным аспектами, причем связь между ними должна быть установлена так, чтобы выполнялось соотношение Эйнштейна.

5. Первые приложения квантовой гипотезы

 

 

Гипотеза квантов, блестяще подтвержденная успехом теории излучения черного тела Планка и теории фотоэффекта Эйнштейна, не замедлила обнаружить свою эффективность и в других областях. Приведем несколько примеров.

Статистическая механика доказала теорему о равнораспределении энергии по степеням свободы. В общем виде ее можно сформулировать следующим образом. В механической системе, обладающей очень большим числом степеней свободы и находящейся в состоянии термодинамического равновесия при постоянной температуре, энергия теплового движения распределяется таким образом, что на каждую степень свободы приходится одинаковое ее количество.

Эта теория, совершенно строго доказанная в рамках классической статистической механики, часто очень хорошо подтверждается на опыте.

В частности, блестяще подтвердились следующие из этой теоремы выводы о средней кинетической энергии атомов и молекул в газах, а также вывод об общем характере зависимости теплоемкости газообразных тел от температуры. И тем не менее, как показало дальнейшее развитие квантовой теории, эта теорема оказывается несправедливой. Это, например, следует уже из того, ‘что применение ее к равновесному излучению черного тела, приводит к неправильному закону спектрального распределения плотности энергии черного излучения (закон Рэлея – Джинса). И квантовая гипотеза Планка была введена, в частности, для того, чтобы обойти закон о равнораспределении энергии. Если гипотеза Планка справедлива, то она должна позволить определить также границы применимости классических законов и в других областях физики.

Рассмотрим, например, теорию твердых тел. В однородных твердых телах в отсутствие теплового движения атомы находятся в положении равновесия. При тепловом движении атомы колеблются около своих положений равновесия, причем амплитуда этих колебаний тем больше, чем выше температура тела. Согласно теореме о равнораспределении энергии по степеням свободы все атомы, входящие в состав твердого тела, должны обладать одной и той же средней энергией. Основанные на этой теореме статистической механики расчеты приводят к следующему простому и весьма общему результату: атомная теплоемкость всех твердых тел (иначе говоря, количество тепла, которое надо сообщить одному грамм-атому твердого тела, чтобы поднять его температуру на один градус) приблизительно равна шести калориям. В этом и заключается известный закон Дюлонга и Пти, экспериментально установленный ими еще до получения теоретических результатов. Этот закон так хорошо подтверждался для большинства твердых тел при обычных температурах, что химики даже использовали его для определения молекулярного веса некоторых веществ.

Однако закон Дюлонга и Пти выполняется хотя и очень часто, но не всегда. Некоторые тела, как правило, очень твердые, например алмаз, обладают атомной теплоемкостью, значение которой меньше шести. Кроме того, с понижением температуры для всех твердых тел наступает момент, когда закон Дюлонга и Пти начинает нарушаться и теплоемкость становится меньше своего нормального значения. Квантовая теория очень хорошо объяснила эти отклонения.

В общих чертах это объяснение заключается в следующем. В твердых телах атомы колеблются около своего положения равновесия с частотой, значение которой определяется массой атома и коэффициентом упругости возвращающей силы. Энергия колебаний согласно квантовой гипотезе должна быть по меньшей мере равна кванту энергии, соответствующему частоте этих колебаний. Следовательно, если температура будет настолько низка, что энергия, которую в состоянии получить атом, меньше энергии соответствующего кванта, то этот атом останется неподвижным, и, таким образом, теорема о равнораспределении энергии уже не будет иметь места. Для атомов большинства твердых тел это минимальное значение энергии достаточно мало, так что при нормальных температурах средняя энергия теплового движения оказывается много больше ее и теорема о равнораспределении энергии и, следовательно, закон Дюлонга и Пти выполняются. Однако для очень твердых тел, таких, как, например, алмаз, в которых атомы связаны между собой более жестко, величина соответствующего кванта настолько велика, что уже при нормальных температурах теорема о равнораспределении энергии не имеет места. Ясно также, что с понижением температуры для всех твердых тел рано или поздно должен наступить момент, когда энергии теплового движения будет уже недостаточно для возбуждения всех атомов, и значение теплоемкости упадет по сравнению с его нормальным значением.

Теория теплоемкостей, основанная на квантовой гипотезе, была предложена Эйнштейном и Линдеманом, а затем Дебаем, Борном и Карманом. Эта теория легко объяснила отклонения от закона Дюлонга и Пти и зависимость теплоемкостей от температуры. Более того, теория теплоемкостей оказалась применимой, mutatis mutandis, также и к газообразным телам. В частности, она позволила понять, почему внутренние степени свободы сложных молекул оказываются при низких температурах как бы «замороженными», факт совершенно необъяснимый с точки зрения классической статистической механики.

Все эти результаты были серьезным подтверждением квантовой гипотезы. Основанные на ней расчеты верхней границы непрерывного спектра рентгеновских лучей, возникающих при бомбардировке антикатода ускоренными электронами, также подтвердили ее справедливость.

Все формулы, полученные с помощью квантовой теории, содержат постоянную Планка h. Сравнение их с экспериментальными данными позволяет определить ее численное значение. Полученные всеми этими различными методами значения постоянной Планка оказались чрезвычайно близки между собой.

Итак, к 1913 г. гениальная гипотеза Планка была подтверждена многочисленными фактами. Появившаяся в это время теория атома Бора принесла ей новое, блестящее подтверждение, показав, до какой степени само строение материи связано с существованием квантов.

 

 


Используются технологии uCoz

Определение квант общее значение и понятие. Что это такое квант

Чтобы определить этимологическое происхождение квантового термина, который нас сейчас занимает, мы пришли к выводу, что он происходит от латыни. В частности, это слово является производным от латинского слова «квант», которое можно перевести как «сколько».

Квант – это прилагательное, используемое в области физики . Концепция относится к тому, что связано с определенными скачками энергии при излучении или поглощении излучения, которые известны как кванты .

Поэтому квантовая физика связана с теориями, на которых основаны эти свойства. Макс Планк (1858-1947), физик, родившийся в Германии, получивший Нобелевскую премию по физике, считается главным ответственным за развитие квантовой теории .

Тем не менее, великий гений Леонардо да Винчи считается одним из первых важных исторических деятелей, который интересовался этим явлением и не стеснялся тщательно его изучить. В частности, он сделал это из воды, которая упала в прудах в то время.

Другими учеными, которые также были ответственны за вклад в развитие квантовой теории, были Луи де Бройль или Эрвин Шредингер.

Эта отрасль знаний специализируется на анализе энергии и вещества, уделяя особое внимание тому, как они ведут себя в различных средах и ситуациях. Согласно квантовой теории, все системы содержат различные физические состояния, которые могут быть описаны с помощью уравнений. Эти состояния известны как квантовые состояния .

Исследования элементарных частиц, ядра атома и атома вообще являются частью области квантовой физики, открытия которой применяются в электронике и других областях.

Важно отметить, что в настоящее время наука о физике основана главным образом на квантовой теории и теории общей теории относительности . Сам Альберт Эйнштейн, однако, не согласился с различными постулатами квантовой физики. Одно из отличий, отмеченных специалистами Эйнштейна в отношении квантовой теории, заключается в том, что для отца теории общей теории относительности субатомная частица не может занимать более одного пространства одновременно.

Существует также так называемая квантовая турбулентность. Что это такое Это уникальное явление, которое позволяет нам узнать хаотические движения, которым страдают жидкости на субатомном уровне, при условии, что они находятся при температурах, близких к нулю.

Тем не менее, великий гений Леонардо да Винчи считается одним из первых важных исторических деятелей, который интересовался этим явлением и не стеснялся тщательно его изучить. В частности, он сделал это из воды, которая упала в прудах в то время.

Таким же образом, мы не можем упускать из виду существование того, что известно как квантовые вычисления. Это фундаментальная основа в области вычислений, также называемая вычислениями, основной отличительной чертой которой является то, что вместо обычных битов используются кубиты.

Очень по отношению к миру науки и с тем термином, который нас интересует, существует веб-пространство, которое отвечает названию «Квантовые сказки». В нем пользователи Интернета имеют возможность получать удовольствие от чтения разных историй и подходов об особенностях и курьезах научных отраслей.

КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ- СТО ЛЕТ | Наука и жизнь

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

В конце этого года мировая наука отмечает своеобразный столетний юбилей. 14 декабря 1900 года на заседании Берлинского физического общества немецкий физик Макс Планк (1858-1947) произнес слово «квант». Так было положено начало принципиально новой отрасли знаний – квантовой механике.

Планк не ставил своей целью создать новую науку. Он решал вполне конкретную, частную задачу: теоретически исследовал излучение абсолютно черного тела (модели твердого вещества, которое в холодном виде поглощает все падающее на него излучение, а будучи нагрето, излучает во всем диапазоне длин волн). Теорию «черного» излучения пытались построить неоднократно, но все попытки оканчивались безуспешно. Уравнения, верно описывающие коротковолновую часть излучения (например, формула Вина), давала большую ошибку в области длинных волн. А формула Рэлея-Джинса, прекрасно работающая в длинноволновой области, совершенно не годилась для коротковолновой.

Пытаясь вывести общее уравнение, Планк пошел эмпирическим путем, связывая измеренную с большой точностью зависимость энергии излучения от длины волны для ряда конкретных температур в одну формулу. Такую формулу ему удалось получить, но только при условии, что излучение черного тела происходит не непрерывно, а дискретно, порциями. Единичную порцию излучения Планк назвал квантом (от латинского quantum – сколько).


#3#

Макс Планк. Это он ввел в физику понятие «квант», положив начало принципиально новому ее разделу – квантовой механике.

Свою идею Планк докладывал коллегам с ощущением, что совершает «акт отчаяния» – настолько она противоречила всем принципам классической физики. Идею кванта он рассматривал только как математический прием. Он так и писал известному американскому физику Роберту Вуду: «Это была чисто формальная гипотеза …чтобы любой ценой получился положительный результат». И даже спустя десять лет Планк призывал своего молодого российского ученика А. Ф. Иоффе «не посягать на самый свет» и «не идти дальше, чем это крайне необходимо».

Однако уже в 1905 году Альберт Эйнштейн использовал идею Планка для объяснения фотоэффекта. В начале XX века была обнаружена странная закономерность: скорость вырываемых из вещества электронов определяется только частотой света и не зависит от его интенсивности. С точки зрения классической электродинамики объяснить это было трудно, но с квантовой позиции явление становилось совершенно понятным. Эйнштейн предположил, что не только испускание и поглощение света происходя т порциями, но и само излучение существует только в виде отдельных объектов – квантов света.

Идея кванта оказалась чрезвычайно плодотворной. В 1913 году Нильс Бор создал теорию атома, постулировав условия квантования электронных орбит. А спустя одиннадцать лет Луи де Бройль выдвинул гипотезу о всеобщем корпускулярно-волновом дуализме: любая частица есть в то же самое время и волна. Экспериментальное подтверждение идеи де Бройля состоялось в 1927 году – впервые удалось наблюдать дифракцию электронов, чисто волновое явление. Годом раньше Эрвин Шредингер предложил уравнение, описывающее такие волны, а Макс Борн дал им статистическую, вероятностную интерпретацию.

Поскольку любая волна бесконечна в пространстве, то и каждую частицу можно обнаружить где угодно, но с разной степенью вероятности. Мир перестал быть детерминированным, он сделался вероятностным.

Для физиков признание этого факта стало тяжким испытанием. Известный теоретик Хендрик Крамерс, ассистент Нильса Бора, писал: «Квантовая механика очень похожа на иные победы: месяца два вы смеетесь, а потом долгие годы плачете». Шредингер в отчаянии восклицал: «Если эти проклятые квантовые скачки сохранятся вфизике, я пожалею, что вообще связался с квантовой теорией!». Эйнштейн признавал, что он, подобно страусу, «прячет голову в песок относительности, чтобы не смотреть в лицо гадким квантам». А в письме к Борну он писал: «Квантовая механика внушает большое уважение. Но внутренний голос говорит мне, что это все же не то… Во всяком случае я убежден, что Бог не играет в кости…»

Тем не менее квантовая механика смогла очень быстро и с успехом описать самый широкий круг физических явлений. Были созданы теории атомных спектров, химической связи, строения молекул, ферромагнетизма. И конечно же, без квантовой механики невозможна физика элементарных частиц.

Первой открытой элементарной частицей был электрон: в 1897 году Дж. Дж. Томсон показал, что давно известные катодные лучи – не что иное, как поток электронов. В 1911 году Эрнст Резерфорд, бомбардируя альфа-частицами тонкую металлическую фольгу, пришел к выводу, что в центре атома имеется положительный заряд. Спустя семь лет он зарегистрировал протоны. Другую частицу, входящую в состав ядра, – нейтрон – открыл в 1932 году Джон Чедвик.

Число обнаруженных частиц стремительно росло, и «элементарными» их продолжали называть только по традиции: подавляющее большинство частиц имеет сложное строение. Их свойства определялись квантовыми характеристиками, аналогов которым в классической физике не было. Поэтому им пришлось приписывать «странность», «очарование», «цвет», «аромат», «прелесть» – свойства, не имеющие ничего общего с обыденными.


#1#


Стандартная модель частиц. Из кварков и лептонов «собрано» все вещество Вселенной, а соединяют их переносчики взаимодействий. Кварки, лептоны и W-бозон имеют свои античастицы; у фотона, глюона и Z-бозона их нет. Названия t- и b-кварков в литературе даются по-разному.

«Истинно элементарными», бесструктурными сегодня считаются шестнадцать частиц (у тринадцати из них есть свои античастицы). Из шести кварков в различных сочетаниях с антикварками получаются протоны, нейтроны и многие другие частицы (адроны). Гипотеза о кварках была высказана в 1964 году, а последний, так называемый «верхний», или топ-кварк, обнаружили только шесть лет назад (см. «Наука и жизнь» № 8, 1994 г.). Еще шесть частиц относятся к так называемым лептонам. Это электрон, мюон и таон. С ними ассоциированы три, пожалуй, самые таинственные частицы микромира – нейтрино (см. «Наука и жизнь» №№ 2, 3, 2000 г.). Феноменальная проникающая способность, отсутствие заряда и чрезвычайно малая масса долгие годы делали их неуловимыми. Вплоть до лета нынешнего года судить об их появлении в различных реакциях можно было только по косвенным признакам.

И, наконец, последние четыре частицы служат переносчиками взаимодействий. Современная физика знает четыре вида взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Гравитация в этом перечне стоит особняком – она настолько слаба, что в процессах микромира практически не участвует. Электромагнитное взаимодействие переносят фотоны, кварки внутри частиц в процессе сильного взаимодействия соединяются глюонами. Слабое взаимодействие между частицамиосуществляют так называемые W– и Z-бозоны.


#2#

Так, должно быть, выглядит атом дейтерия при очень большом увеличении. Протоны и нейтроны его ядра «склеены» из кварков разных сортов (или, как говорят физики, – «ароматов»).

Когда-то, на ранних стадиях существования Вселенной, все они были слиты в одно универсальное взаимодействие. Попытки создать его теорию успехом пока не увенчались, объединить удалось только слабое и электромагнитное в одно электрослабое взаимодействие. Крупнейшим достижением теоретической физики стало создание согласованной картины микромира так называемой Стандартной модели. Она с общих позиций описывает все три взаимодействия – сильное, слабое и электромагнитное. Сегодня нет ни одного эксперимента, который бы прямо противоречил Стандартной модели.

В последнее время развитие ускорительной техники резко затормозилось. Продвижение в глубь материи требует гигантских энергий, которые нельзя получить на Земле даже ценой неимоверных затрат на строительство новых сверхмощных ускорителей. Однако исследования элементарных частиц продолжаются. На протонных коллайдерах ЦЕРНа (Швейцария) и Бруккхэвена (США) удалось «разбить» эти частицы, получив кварк-глюонную плазму (см. «Наука и жизнь» № 3, 2000 г.). А 21 июля 2000 года в американской лаборатории имени Ферми впервые провели прямое наблюдение тау-нейтрино на установке, которая так и называется – Direct Observation of the Nu Tau (DONUT). В экспериментах участвовали более пятидесяти исследователей из разных стран мира.


Рождение квантовой физики

Одним из важнейших этапов в познании природы, быть может, даже одним из важнейших этапов в развитии разума является становление квантовой теории в 1900–1927 гг.

Л. Д. Ландау рассказывал своим ученикам, что изучение работ Эрвина Шредингера и Вернера Гейзенберга принесло ему ощущение силы человеческого гения, величайшим триумфом которого является то, что человек способен понять вещи, которые он уже не в силах вообразить.

Все, однако, началось с Макса Планка. Результаты научных исследований неотделимы от личности его автора. М. Планк родился 23 апреля 1858 г. в г. Киле (земля Шлезвинг-Гольштейн). Его отец, который был профессором права в Кильском университете, в 1867 г. был приглашен в Мюнхен, где и прошла юность Макса Планка. По окончании школы Планк изучал в Мюнхенском университете физику и математику. Однако при выборе профессии он вначале колебался между физикой и музыкой, но избрал физику, хотя тамошний физик фон Жолли советовал ему это не делать. Вот аргументы Жолли: «Молодой человек, зачем вы хотите себе испортить жизнь, ведь теоретическая физика уже в основном закончена, дифференциальные уравнения решены, остается рассмотреть отдельные частные случаи с измененными граничными и начальными условиями. Стоит ли браться за такое бесперспективное дело?»

Жизнь Макса Планка, о которой он рассказал в своей автобиографии, представленной в связи с получением Нобелевской премии в 1918 г., внешне проста: приват-доцент в Мюнхене, профессор в Киле, профессор теоретической физики в Берлинском университете, член Прусской Академии наук (1894 г.), ее непременный секретарь с 1902 г.

Однако область его научных изысканий обширна: термодинамика сложных систем, развитие понятия энтропии, борьба за правильное понимание второго начала термодинамики и правильную интерпретацию третьего начала; термодинамика лучистой энергии, приведшая его к статистической физике и к открытию кванта действия; попытки сочетать квант действия с электродинамикой Максвелла; серия статей по релятивистской термодинамике; работы по методологии физики.

Мало кто знает, что Планк читал лекции в Берлинском университете по теории музыки. Он был блестящим пианистом и глубоким знатоком классической музыки. А. Ф. Иоффе вспоминает: «Как отличался Бах в классическом исполнении Планка от легкого человечного Баха у Эренфеста! Как различны были размеренный поток звуков у Планка и задумчивая скрипка Эйнштейна! Все они любили музыку и охотно играли, каждым я восхищался, но совсем по-разному, мне пришлось слышать и Гейзенберга, рояль которого наполнял комнату океаном звуков.»

Макс Планк в жизни был исключительно скромным человеком. Он удостоился многих почестей; в 1920 г. ему была присуждена Нобелевская премия. Нравственный и научный авторитет Планка был непререкаем для физиков во всем мире. В личной жизни он испытал много горя. Во время первой мировой войны в 1916 г. под Верденом погиб его старший сын. Две его дочери умерли в раннем возрасте, а его младший сын был казнен в 1944 г. за участие в антигитлеровском заговоре. Сам Планк дожил до глубокой старости — почти до 90 лет. 7 октября 1947 г. он был захоронен в Геттингене.

Имя Планка заслуженно вошло в золотой фонд человеческой культуры. Искренний и честный сын своего времени и своего народа, он был неустанным тружеником науки. Открытие универсальной мировой постоянной (кванта действия), носящей его имя,— величайшая ему награда.

В истории науки кванты действия произвели такой же переворот, как и великие открытия Галилея и Ньютона.

Данной публикацией мы открываем серию статей, посвященных Максу Планка и кванту действия.

А. Д. ГЛАДУН, зав. кафедрой общей физики, профессор

Квантовая физика, долгий путь к ее пониманию

Вернер Гейзенберг вспоминал свои долгие беседы с Нильсом Бором, продолжавшиеся до поздней ночи. В своей книге 1958 года « Физика и философия: революция в современной науке » физик рассказал, как после этих разговоров он часто отправлялся на прогулку в ближайший парк и постоянно повторял про себя: «Неужели природа может быть такой абсурдной… ?» С тех пор, как 14 декабря 1900 года Макс Планк основал квантовую теорию, ученые были озадачены своими собственными открытиями, ни одно из которых, похоже, не имело смысла. Ничто не является интуитивным или разумным настолько, что более полувека спустя Ричард Фейнман произнес одну из самых известных фраз на эту тему: «Думаю, я могу с уверенностью сказать, что никто не понимает квантовую механику». «Просто расслабьтесь и получайте удовольствие», — советовал он участникам конференции в Корнельском университете в 1964 году.

Макс Планк основал квантовую теорию в 1900 году. Авторы и права: Рюдигер Стен

В первой работе Планка была решена до сих пор неразрешимая проблема. Физика конца 19 века не могла объяснить закономерность излучения света горячим телом. Планк решил стереть все с доски и начать заново, обнаружив, что все работает, когда он подставил константу в свои уравнения. Проблема заключалась в полнейшей абсурдности выводов, что энергия не может иметь никакой ценности, а только кратна этой константе. Это было так же ошибочно, как думать, что мешок с песком может весить только один или два килограмма, но не имеет никакой промежуточной ценности. С сегодняшней точки зрения мы теперь понимаем, что между одним электроном и двумя электронами нет ничего промежуточного.Но в то время было трудно принять теорию, эквивалентную рассмотрению энергии как материи, разделенной на дискретные пакеты или «кванты».

Даже сам Планк сопротивлялся его открытию. Позже он признался, что просто пытался «добиться положительного результата при любых обстоятельствах и любой ценой». В течение многих лет он пытался вписать свою константу в классическую физику, но безуспешно. И, несмотря на абсурдность идеи, оказалось, что данные других ученых подходят к квантовой теории, как стеклянная туфелька Золушки.

Интерактивная хронология: 120 лет квантовой физики

[+] Смотреть в полноэкранном режиме

 

Эйнштейн и «кванты света»

Одним из первых, кто оценил это открытие, был Альберт Эйнштейн. В 1905 году он написал статью, в которой применил теорию Планка к фотоэлектрическому эффекту — явлению, описанному в 1887 году Генрихом Герцем, когда свет отрывает электроны от металлов. Классический электромагнетизм Хендрика Лоренца и Джеймса Клерка Максвелла не объяснял, почему это происходит только при определенных частотах волн.Эйнштейн решил посмотреть на свет через призму планковских квантов; свет вел себя не как непрерывная волна, а как струя частиц, «квантов света» — сегодняшних фотонов — дискретной энергии.

Альберт Эйнштейн и Макс Планк. Источник: denstoredanske.lex.dk

Интересно, что Планк отверг гипотезу Эйнштейна. То же самое сделал и Роберт Эндрюс Милликен, который решил экспериментально опровергнуть это любой ценой… только чтобы в конце концов с этим согласиться. Что еще более любопытно, сам Эйнштейн также начал выражать скептицизм по поводу квантовой теории, когда работа других исследователей привела физику в царство, больше похожее на Страну чудес Алисы, чем что-либо известное о реальном мире.

Нильс Бор был первым, кто применил квантовую механику для описания атома, а в 1913 году он создал модель, радикально отличавшуюся от предыдущих. Атом, предложенный Бором на основе предыдущей модели Эрнеста Резерфорда, излучает или поглощает энергию всякий раз, когда электрон перескакивает между дискретными круговыми орбитами. Значения, допускаемые постоянной Планка, означали, что электрон перескакивал с одной орбиты на другую, не проходя через промежуточные места. Арнольд Зоммерфельд в 1915 году обобщил модель Бора, заменив круговые орбиты эллиптическими.

Копенгагенская интерпретация квантовой механики

В 1925 году Гейзенберг, его учитель Макс Борн и Паскуаль Джордан взяли работу Бора и Зоммерфельда в качестве отправной точки для математической формулировки квантовой механики с использованием матричной алгебры. Вольфганг Паули применил этот матричный механизм к модели атома Бора, но в следующем году этот подход был заменен волновой функцией, предложенной Эрвином Шрёдингером. На этом этапе фундаментальным был вклад Луи де Бройля, который в некотором смысле перевернул взгляд на квантовый мир: если свет мог вести себя как частица, электрон также мог вести себя как волна. Позже Поль Дирак объединил уравнение Шредингера с уравнением Гейзенберга.

Вернер Гейзенберг и Нильс Бор. Источник: Викимедиа.

Волновая функция Шрёдингера описывает состояние квантовой системы; однако, в то время как ньютоновская механика позволяла предсказывать положение и скорость объекта, что кажется логичным, борновская интерпретация волнового уравнения превратила орбиты электронов в нечто очень трудное для воображения: облака плотности вероятности. Это означало, что электрон занимал всю свою орбиту в один и тот же момент.

Отсюда Бор и Гейзенберг придумали так называемую «копенгагенскую интерпретацию» квантовой механики, согласно которой эта неопределенность исчезала, когда к системе применялось измерение; только тогда волновое уравнение разрушилось, и эти наложенные друг на друга состояния материализовались в одно положение для частицы. Наблюдатель изменил систему, что побудило Шредингера описать свой знаменитый мысленный эксперимент с кошкой, которая одновременно жива и мертва, пока ящик не откроют, чтобы проверить его состояние и разрушить эту двойственность. В уравнении Шредингера положение и скорость частицы были подобны натягиванию двух концов одеяла, поэтому и то, и другое нельзя было точно узнать одновременно, что и было отражено в принципе неопределенности Гейзенберга.

Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена

Все это привело Эйнштейна к вопросу: существует ли Луна, только когда мы на нее смотрим? В своей общей теории относительности немецкий ученый превзошел ньютоновское представление о гравитации как о таинственном дальнодействии и заменил ее непрерывной тканью пространства-времени, передавшей этот эффект.И все же, согласно квантовой механике, воздействие наблюдателя на одну частицу может передаваться на другую идентичную частицу, обе разделенные при рождении, мгновенно, что Эйнштейн назвал «призрачным действием на расстоянии». Хотя он не сомневался в этой теории, он считал ее неполной; он чувствовал, что скрытые переменные могут объяснить эффект, не прибегая к вероятностному механизму. Бог не играет в кости, писал он в известном письме Борну.

Этот мысленный эксперимент Эйнштейна, сегодня называемый парадоксом Эйнштейна-Подольского-Розена, породил концепцию квантовой запутанности, под которой сегодня известно это жуткое действие на расстоянии.В 1964 году Джон Стюарт Белл был вдохновлен альтернативной интерпретацией квантовой теории, разработанной Дэвидом Бомом и основанной на теории Де Бройля о пилотной волне, связанной с каждой частицей, которая рассеяла вероятностные туманы копенгагенской интерпретации в пользу детерминистской точки зрения, независимой от других. наблюдения. Вывод Белла состоял в том, что скрытых переменных Эйнштейна не существовало. И, к несчастью для немца, эксперименты постоянно подтверждали то, что Белл демонстрировал на бумаге.Запутанность является основой квантовой телепортации, способной передавать свойства от одной частицы к другой.

 

Эксперимент парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена с парами позитрон-электрон. Источник: Wikimedia

Короче говоря, квантовая механика снова и снова доказывает свою способность предсказывать поведение природы. Это не умаляет того факта, что все это накопление странностей, приведенное в движение в 1900 году постоянной Планка, породило новые интерпретации квантовой теории, выходящие за рамки «Заткнись и считай!» (по словам Дэвида Мермина) из Копенгагена: формулировка интеграла по путям, разработанная Фейнманом, которая суммирует все траектории частицы; многомировая интерпретация; теории объективного коллапса…

Однако, независимо от различных очков, через которые можно рассматривать квантовую теорию, одно можно сказать наверняка: мы многим обязаны тому, что поддерживало нашу цивилизацию на протяжении этих 120 лет, от первого транзистора до сегодняшнего технологического общества — и в ближайшем будущем, квантовые вычисления — к новаторской работе Планка.Неважно, что мы этого не понимаем, поскольку сами физики говорят, что не могут полностью понять это. «Квантовая механика — это магия, — сказал Дэниел Гринбергер. Поэтому лучшее, что мы можем сделать, это последовать совету Фейнмана и просто расслабиться и наслаждаться шоу.

НЕОБХОДИМАЯ КНИГА

Физик и популяризатор науки Чад Орзел произвел фурор среди читателей популярной книгой по квантовой физике, которую обычно можно найти в любом списке рекомендованных книг по этой теме. Опираясь на классическую формулу сократовского диалога, Орзель выбирает свою собаку в качестве воображаемой аудитории, для которой он может в простой форме рассмотреть и объяснить основные концепции квантовой физики и их следствия в реальном мире, попутно пересказывая ключевые моменты из истории. история этой области, например знаменитые дебаты между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором.

Как научить квантовой физике свою собаку Чада Орзела (Scribner Book Company, 2010)

Хавьер Янес

@yanes68

 

Квантовая наука и технология — UMD Physics

Квантовые исследователи изучают системы, которые используют правила низкоэнергетического микроскопического мира для обработки информации новыми способами, отличными от традиционной цифровой логики. Область объединяет теоретиков и экспериментаторов, которые изучают различные системы, от нейтральных атомов и ионов до фотонных чипов и топологических материалов.Основные будущие приложения квантовой информатики включают квантовые компьютеры, способные быстро находить решения определенных вычислительных задач, машины, специально предназначенные для моделирования квантовой физики, и высокоточные датчики.

Персонал

  • Anlage, Стивен
    Подробнее
  • Barkeshli, Maissam
    Подробнее
  • Подробнее
  • Подробнее
  • Britton, Joe
    Подробнее
  • BUTCH, Nicholas
    Подробнее
  • Campbell Гретхен
    Подробнее
  • Чайлдс, Эндрю
    Подробнее
  • Кларк, Чарльз
    Подробнее
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6

Области исследования

      • квантовые вычисления, эксперимент и теория
      • квантовые сети
      • квантовые сети
      • квантовые материалы
      • квантовые материалы (сверхпроводность, магнелизм, сильно коррелированная физика электронов и топологические вещества)
      • квантовые датчики
      • Теоретические конденсированные физики
      • квантовая оптика
      • Атомная физика, основанная на прецизионных измерениях
      • Сильная полевая физика
      • Bose Einstein Конденсаты и вырожденные газы Fermi

      Связанные центры и институты:

      Теория конденсированных веществ Центр

      Институт исследований в электронике и Прикладная физика

      Объединенный центр квантовой информации и компьютерных наук (QuICS)

      Объединенный квантовый институт

      Центр квантовых материалов

      Центр квантовых технологий

      Центр Physics Frontiers 90 005

      Один из величайших парадоксов квантовой физики, возможно, потерял свое ведущее объяснение | Наука

      Это один из самых странных постулатов квантовой теории: частица может находиться в двух местах одновременно, но мы видим ее только здесь или там. В учебниках утверждается, что акт наблюдения за частицей «схлопывает» ее, так что она появляется случайным образом только в одном из двух своих местоположений. Но физики спорят о том, почему это происходит, если это действительно так. Теперь один из наиболее вероятных механизмов квантового коллапса — гравитация — потерпел неудачу.

      Гипотеза гравитации восходит к венгерским физикам Каролихази Фридьесу в 1960-х и Лайошу Диоши в 1980-х. Основная идея заключается в том, что гравитационное поле любого объекта стоит вне квантовой теории.Он сопротивляется тому, чтобы его помещали в неловкие комбинации или «суперпозиции» различных состояний. Итак, если частицу заставить быть и здесь , и там, ее гравитационное поле пытается сделать то же самое — но поле не может долго выдерживать напряжение; он коллапсирует и уносит с собой частицу.

      Известный математик из Оксфордского университета Роджер Пенроуз отстаивал эту гипотезу в конце 1980-х годов, потому что, по его словам, она устраняет антропоцентрическое представление о том, что само измерение каким-то образом вызывает коллапс. «Это происходит в физике, и это не потому, что кто-то приходит и смотрит на это».

      Тем не менее, казалось, что эту гипотезу невозможно проверить с помощью какой-либо реалистичной технологии, отмечает Диоси, который сейчас работает в Исследовательском центре Вигнера и является соавтором новой статьи. «В течение 30 лет меня всегда критиковали в моей стране за то, что я спекулировал на чем-то, что абсолютно невозможно проверить».

      Новые методы теперь делают это выполнимым. В новом исследовании Диоси и другие ученые искали один из многих способов, будь то гравитация или какой-либо другой механизм, чтобы квантовый коллапс обнаружил себя: частица, которая коллапсирует, отклоняется случайным образом, нагревая систему, частью которой она является. .«Это как если бы вы пнули частицу», — говорит соавтор Сандро Донади из Франкфуртского института перспективных исследований.

      Если частица заряжена, она излучает фотон излучения, когда отклоняется. И несколько частиц, подверженных одному и тому же гравитационному крену, будут излучать в унисон. «У вас есть усиленный эффект», — говорит соавтор Кэтэлина Курчану из Национального института ядерной физики в Риме.

      Чтобы проверить эту идею, исследователи построили детектор из кристалла германия размером с кофейную чашку.Они искали избыточное рентгеновское и гамма-излучение протонов в ядрах германия, которые создают электрические импульсы в материале. Ученые выбрали эту часть спектра для максимального усиления. Затем они обернули кристалл свинцом и поместили его на 1,4 километра под землю в Национальной лаборатории Гран-Сассо в центральной Италии, чтобы защитить его от других источников излучения. За 2 месяца в 2014 и 2015 годах они увидели 576 фотонов, что близко к 506 ожидаемым от естественной радиоактивности, как они сообщают сегодня в Nature Physics .

      Для сравнения, модель Пенроуза предсказала 70 000 таких фотонов. «Вы должны увидеть эффект коллапса в эксперименте с германием, но мы этого не видим», — говорит Курчану. Это говорит о том, что гравитация на самом деле не вытряхивает частицы из их квантовых суперпозиций. (Эксперимент также ограничил, хотя и не исключил, механизмы коллапса, не связанные с гравитацией). Университет Саутгемптона: «В принципе вы должны быть в состоянии сделать суперпозицию массивных частиц.Так давайте сделаем это». Она говорит, что ее команда работает над созданием облаков из 100 миллионов атомов натрия при температуре чуть выше абсолютного нуля.

      Хотя Пенроуз хвалит новую работу, он считает, что проверить его версию модели на самом деле невозможно. Он говорит, что ему никогда не нравились отклонения частиц, потому что они могли заставить вселенную получать или терять энергию, нарушая основной принцип физики. нагревание или излучение», — говорит он.В этом случае гравитация может вызывать коллапс, но скрывать свои следы.

      Другие факторы, такие как взаимодействие между протонами германия и электронами, также могут маскировать сигнал, говорит физик-теоретик Маанели Дерахшани из Университета Рутгерса, Нью-Брансуик. В целом, говорит он, если гравитация действительно вызывает коллапс, процесс должен быть более сложным, чем изначально предполагал Пенроуз. «Можно разумно утверждать, что… сок не стоит выжимать».

      В квантовой физике все относительно

      Концептуальный прорыв, начатый Гейзенбергом (наставником которого был Нильс Бор) и подкрепленный вкладом Макса Борна, Вольфганга Паули, Поля Дирака, Эрвина Шредингера и других, ясно показывает, что мир очень маленьких — фотонов, электронов, атомов и молекул — подчиняется правилам, которые идут вразрез с нашей повседневной физической реальностью.

      Carlo RovelliCredit…Carlo Rovelli

      Возьмем электрон, испущенный в точке A и обнаруженный в точке B. Можно было бы предположить, что электрон движется по траектории, как бейсбольный мяч из руки питчера в руку кетчера. Чтобы объяснить экспериментальные наблюдения, Гейзенберг отверг понятие траектории электрона. В результате квантовая теория имеет дело с вероятностями. Он позволяет рассчитать вероятность нахождения электрона в точке B. Он ничего не говорит о пути, который проходит электрон.В своей самой строгой форме квантовая теория даже отрицает существование электрона до тех пор, пока он не будет обнаружен (что заставляет некоторых утверждать, что сознательный наблюдатель каким-то образом создает реальность).

      С 1950-х годов ученые пытались привести квантовую теорию в соответствие с требованиями классической физики, в том числе приводя доводы в пользу существования скрытой реальности, в которой у электрона есть траектория, или предполагая, что электрон движется всеми возможными путями, но эти пути проявляются в разных мирах. Ровелли отвергает эти попытки.«Цена этих подходов — постулировать мир, полный невидимых вещей».

      Вместо этого в «Гельголанде» Ровелли объясняет свою «реляционную» интерпретацию, в которой электрон, скажем, обладает свойствами только тогда, когда он взаимодействует с чем-то другим. Когда он не взаимодействует, электрон лишен физических свойств: ни положения, ни скорости, ни траектории. Еще более радикальным является заявление Ровелли о том, что свойства электрона реальны только для объекта, с которым он взаимодействует, а не для других объектов.«Мир распадается на игру точек зрения, не допускающих однозначного глобального видения», — пишет Ровелли. Или, как он выразился, «факты относительны». Это резкое осуждение физики как дисциплины, дающей объективное описание реальности от третьего лица.

      Эта перспектива стирает различие между ментальными и физическими явлениями. Оба являются «продуктами взаимодействия между частями физического мира», — говорит Ровелли. Утверждая, что разум сам по себе является результатом сложной паутины взаимодействий, Ровелли бросает вызов дуалистам, проводящим различие между ментальным и физическим, и наивным материалистам, утверждающим, что все начинается с частиц материи с четко определенными свойствами.

      Авторы/названия по квантовой физике последние материалы

      Авторы и названия последних представленных материалов

      [ всего 194 записи: 1-25 | 26-50 | 51-75 | 76-100 | … | 176-194 ]
      [ показывает 25 записей на странице: меньше | больше | все ]

      Пт, 25 марта 2022 г. (показаны первые 25 из 32 записей)

      [1] arXiv:2203.13206 [pdf, прочее]
      [2] arXiv:2203. 13200 [pdf, ps, другое]
      [3] arXiv:2203.13187 [pdf, прочее]
      [4] arXiv:2203.13184 [pdf, прочее]
      [5] arXiv:2203.13171 [pdf, прочее]
      [6] arXiv:2203.13123 [pdf, прочее]
      [7] arXiv:2203.13121 [pdf, прочее]
      [8] arXiv:2203.13092 [pdf, прочее]
      [9] arXiv:2203.12943 [pdf, прочее]
      [10] arXiv:2203.12936 [pdf, ps, прочее]
      [11] arXiv:2203.12920 [pdf, прочее]
      [12] arXiv:2203.12884 [pdf, другое]
      [13] arXiv:2203.12874 [pdf, ps, другое]
      [14] arXiv:2203.12850 [pdf, ps, другое]
      [15] arXiv:2203.12834 [pdf, прочее]
      [16] arXiv:2203.12833 [pdf, прочее]
      [17] arXiv:2203.12757 [pdf, ps, другое]
      [18] arXiv:2203. 12727 [pdf, прочее]
      [19] arXiv:2203.12717 [pdf, прочее]
      [20] arXiv:2203.12713 [pdf, прочее]
      [21] arXiv:2203.12703 [pdf, прочее]
      [22] arXiv:2203.12699 [pdf, прочее]
      [23] arXiv:2203.12676 [pdf, прочее]
      [24] arXiv:2203.12656 [pdf, прочее]
      [25] arXiv:2203.12623 [pdf, прочее]
      [ всего 194 записи: 1-25 | 26-50 | 51-75 | 76-100 | … | 176-194 ]
      [ показывает 25 записей на странице: меньше | больше | все ]

      Отключить MathJax (что такое MathJax?)

      Ссылки на: arXiv, интерфейс формы, найти, квант-ф, новый, 2203, контакт, помощь (Информация о ключе доступа)


      Квант утешения: даже физики пока ломают голову | Letters

      Ваша редакционная статья о квантовой физике (30 августа) начинается с цитаты Ричарда Фейнмана — «никто не понимает квантовую механику» — а затем говорится: «это уже неправда». Один из нас (Норман Домби) изучал квантовую теорию у Фейнмана в Калифорнийском технологическом институте; другой (Джон Чарап) обучался у Пола Дирака в Кембридже. Квантовая теория была разработана несколькими физиками, включая Дирака, Эрвина Шредингера и Вернера Гейзенберга, в 1920-х и 1930-х годах, и Дирак сделал их работы релятивистскими.

      Абсурдно говорить, что квантовая механика теперь понятна, тогда как 50 лет назад ее не было. Конечно, в нашем понимании квантовых явлений были достигнуты успехи, но концептуальная основа квантовой физики осталась прежней.Приведенные вами примеры ядерных установок, медицинских сканеров и лазеров связаны с простыми приложениями квантовой механики, которые были понятны 50 лет назад.

      Основным достижением в понимании квантовой физики в этот период является теорема Джона Белла из Церна, которая утверждает, что квантовая физика не может быть локальной, то есть она позволяет коррелировать явления на сколь угодно больших расстояниях друг от друга. . Теперь это было продемонстрировано экспериментально и приводит к тому, что известно как квантовая запутанность, которая важна для разработки квантовых компьютеров.Но даже эти идеи обсуждались Альбертом Эйнштейном и его коллегами в 1935 году. Если это так, то как протоны могут перемещаться по Большому адронному коллайдеру в ЦЕРНе и попадать в цель, чтобы можно было проводить эксперименты?

      Мы согласны с Филлипом Боллом, который написал в журнале Physics World, что «квантовая механика спустя столетие после того, как она была задумана, до сих пор заставляет нас чесать затылки». Существует множество спорных спекулятивных предложений, но ни одно из них не получило единодушной поддержки.
      Джон Чарап Почетный профессор теоретической физики королевы Марии Лондонский университет ; Норман Домби Почетный профессор теоретической физики Университета Сассекса

      Кто бы ни написал эту редакционную статью, он не понимает, что имел в виду Ричард Фейнман, когда сказал, что никто на самом деле не понимает квантовую механику. Способность сделать смартфон, ядерное оружие или аппарат МРТ не требует понимания квантовой механики в том смысле, в каком он имел в виду, — нужны физические способности для составления уравнений и математические способности для поиска или аппроксимации их решений.Любой компетентный физик мог делать такие расчеты по крайней мере 50 лет. Фейнман имел в виду, что для квантовой механики ни у кого нет интуитивного понимания того, что на самом деле происходит в мире, которое стремятся получить физики. Все, что мы можем сделать, это заткнуться и вычислить или потеряться в стране никогда-никогда конкурирующих, но эмпирически эквивалентных интерпретаций.

      Возможно, реляционная интерпретация квантовой механики Карло Ровелли обеспечивает интуитивное понимание, которое мы хотели бы иметь, хотя я весьма сомневаюсь в этом и не верю, что Ровелли утверждает, что это так.Возможно, она даже делает проверяемые предсказания, которые могли бы отличить ее от других интерпретаций, и поэтому она является скорее наукой, чем философией (у меня нет возражений против философии).

      Сегодня это так же верно, как и тогда, когда Фейнман сказал в 1964 году, что никто (или почти никто) по-настоящему не понимает квантовую механику. И сейчас, как и тогда, компетентному физику не нужно такое понимание, которое Фейнман намеревался использовать в теории. В самом деле, нет никаких веских оснований полагать, что человеческий разум вообще должен быть подготовлен для ее понимания.Цитируя другого известного физика: эта передовица даже не ошибочна.
      Tim Bradshaw
      North Tawton, Devon

      Хотя весьма вероятно, что моя копия «Гельголанда» находится там, где я ее положил на полку, я не узнаю, распечатаны ли ее страницы или пусты, пока не приступлю к чтению. Это. Однако из предыдущей работы профессора Ровелли я согласен, что «фундаментальная истина заключается в том, что невозможно знать все о мире», в том числе будет ли опубликовано это письмо и в каком мире.
      Гарольд Мозли
      Йорк

      Учитывая вашу редакционную статью о квантовой физике, можно ли теперь сказать, что «факты относительно священны» или «факты священны, но относительны»?
      Саймон Тейлор
      Уорик, Уорикшир

      У вас есть мнение о том, что вы прочитали сегодня в Guardian? Пожалуйста, электронная почта нам ваше письмо и оно будет рассмотрено для публикации.

      Новый эксперимент надеется разгадать самую большую загадку квантовой механики | Наука

      Эксперименты TEQ попытаются вызвать квантовый коллапс с помощью небольшого кусочка диоксида кремния или кварца размером нанометры в поперечнике — крошечные, но намного большие, чем отдельные частицы.Университетский колледж Лондона

      Квантовая революция так и не закончилась. Под миром классической физики крошечные частицы не подчиняются обычным правилам в мельчайших масштабах. Иногда частицы ведут себя как волны и наоборот. Иногда кажется, что они существуют в двух местах одновременно. А иногда даже не знаешь, где они.

      Для некоторых физиков, таких как Нильс Бор и его последователи, споры вокруг квантовой механики были более или менее улажены к 1930-м годам.Они считали, что квантовый мир можно понять в соответствии с вероятностями: когда вы исследуете частицу, есть вероятность, что она делает одно, а есть вероятность, что она делает другое. Но другие фракции, возглавляемые Альбертом Эйнштейном, никогда не были полностью удовлетворены объяснениями квантового мира, и начали появляться новые теории, объясняющие мир атомов.

      Теперь, почти столетие спустя, все большее число физиков больше не довольствуется хрестоматийной версией квантовой физики, которая возникла из интерпретации квантовой теории Бором и другими, часто называемой копенгагенской интерпретацией.Идея похожа на подбрасывание монеты, но прежде чем вы посмотрите на результат, монету можно представить как орлом, так и решкой — действие взгляда или измерения заставляет монету «схлопываться» в одно или другое состояние. . Но новое поколение исследователей переосмысливает, почему измерения вообще могут вызвать коллапс.

      Новый эксперимент, известный как коллаборация TEQ, может помочь выявить границу между странным квантовым миром и нормальным классическим миром бильярдных шаров и снарядов.Исследователи TEQ (Испытание крупномасштабного предела квантовой механики) работают над созданием устройства в следующем году, которое будет поднимать в воздух немного диоксида кремния или кварца размером нанометры — все еще микроскопические, но намного больше, чем у человека. частицы, которые ученые использовали для демонстрации квантовой механики ранее. Насколько большим может быть объект и при этом демонстрировать квантовое поведение? Бейсбольный мяч не будет вести себя как электрон — мы никогда не сможем увидеть, как мяч летит в левое и правое поле одновременно, — но как насчет наноразмерного куска кварца?

      Новые попытки определить, как материя ведет себя на атомном уровне, отчасти обусловлены интересом к технологическим достижениям, таким как квантовые компьютеры, а также растущей поддержкой новых интерпретаций теоретической физики.Одна из этих альтернатив известна как теория Гирарди-Римини-Вебера, или GRW, названная в честь трех физиков, которые конкретизировали теорию в 1980-х годах. В GRW микроскопические частицы существуют одновременно в нескольких состояниях, известных как суперпозиция, но, в отличие от копенгагенской интерпретации, они могут спонтанно коллапсировать в одно квантовое состояние. Согласно теории, чем больше объект, тем меньше вероятность его существования в суперпозиции, поэтому материя в человеческом масштабе существует только в одном состоянии в любой момент времени и может быть описана классической физикой.

      «В GRW коллапсы происходят случайным образом с фиксированной вероятностью для каждой частицы в единицу времени», — говорит Тим ​​Модлин, философ физики из Нью-Йоркского университета. С другой стороны, в копенгагенской теории коллапсы происходят только тогда, когда производится измерение, поэтому «потребуется четкий физический критерий как для того, когда происходит измерение, так и для того, что измеряется. А это именно то, чего теория никогда не дает». GRW объясняет эту «проблему измерения», предполагая, что коллапс не уникален для самого акта измерения — скорее, микроскопическая частица имеет заданную вероятность коллапса в любое время, и этот коллапс гораздо более вероятен (по сути, гарантировано). ) при исследовании в макроскопическом экспериментальном устройстве.

      GRW — это одна из моделей коллапса, и если физики смогут измерить этот коллапс в действии, «то это будет означать, что модель коллапса верна», — говорит Питер Баркер, физик из Университетского колледжа Лондона. «Можно сказать, что здесь заканчивается квантовая механика и начинается классическая механика. Это было бы потрясающе.”

      Баркер является членом группы коллаборации TEQ, которая проверит эти идеи о GRW и квантовом коллапсе. Небольшой кусочек кварца, толщиной в тысячную часть человеческого волоса, будет подвешен электрическим полем и пойман в холодное замкнутое пространство, где его атомные вибрации замедлятся почти до абсолютного нуля.

      Затем ученые выстрелят лазером в кварц и посмотрят, показывает ли рассеяние света признаки движения объекта. Движение диоксида кремния может указывать на коллапс, что сделало бы эксперимент убедительным подтверждением предсказаний GRW. (Теория предсказывает, что объекты с разной массой имеют разную степень движения, связанного с коллапсом.) Если ученые не увидят сигналов, предсказанных коллапсом, эксперимент все равно предоставит ценную информацию о квантовом мире частиц, поскольку он размывается классический мир повседневных предметов. В любом случае, результаты могут стать квантовым скачком для квантовой физики.

      Идея о том, что частицы могут существовать в нескольких состояниях, когда-то беспокоила Эйнштейна и некоторых других. Но многие физики игнорируют эти фундаментальные вопросы о том, что на самом деле происходит, и характеризуют свое отношение как «заткнись и считай», говорит Модлин. «Очень немногие физики хотят понять фундаментальные вопросы квантовой механики. И не хотят признавать, что это довольно скандальная ситуация.

      Тем не менее, те, кто исследует фундаментальные реалии атомной материи, похоже, согласны с тем, что, вероятно, происходит больше, чем покрывают существующие теории, даже если пока неясно, что именно происходит в таких крошечных масштабах. В дополнение к GRW конкурирующие теории включают спекулятивную «многомировую интерпретацию» — идею о том, что каждый экспериментальный результат может и действительно происходит, когда частицы бесконечно коллапсируют во все возможные состояния, порождая бесконечное количество параллельных вселенных. Другая альтернатива, известная как бомовская механика, названная в честь ее создателя Дэвида Бома в 1950-х годах, утверждает, что вероятности, используемые в квантовых экспериментах, просто описывают наши ограниченные знания о системе — в действительности уравнение с переменными, в настоящее время скрытыми от физиков, управляет системой независимо от делает ли кто-нибудь измерение.

      Но данные предыдущих квантовых экспериментов по-прежнему не указывают на единую интерпретацию, что затрудняет выбор одной из них как более точной картины реальности. Однако благодаря TEQ физики смогли, наконец, представить доказательства в пользу или против таких теорий коллапса, как GRW, выйдя из тупика с проблемой измерения. «Модели коллапса на самом деле поддаются экспериментальной фальсификации», — говорит Маттео Карлессо, физик из Университета Триеста, изучающий квантовые теории. Несмотря на то, что ни один эксперимент не был достаточно чувствительным, чтобы успешно подтвердить или опровергнуть модель коллапса, такой эксперимент должен быть возможен с чувствительностью, подобной ТЭ.

      Эксперимент будет непростым. Точный аппарат, замороженный почти до абсолютного нуля, не может устранить всю неопределенность, и участвующие в нем ученые должны исключить другие, обыденные физические объяснения движения левитирующей частицы, прежде чем они смогут предположить, что приписывают то, что они видят, квантовым движениям. Физики называют тип сигналов энергии, которые они измеряют, «шумом», и будет невероятно сложно изолировать «шум коллапса» от источников фонового шума, которые могут проникнуть в чувствительный эксперимент.И не помогает то, что само измерение нагревает частицу, что затрудняет различение тех самых квантовых движений, которые ищут исследователи.

      Несмотря на эти неопределенности, физики TEQ в настоящее время создают и тестируют устройство, и все это будет собрано в Университете Саутгемптона в Великобритании, где они проведут наиболее чувствительные версии эксперимента в течение года. У них есть шанс, наконец, своими глазами увидеть квантовое поведение, а если нет, то, возможно, раздвинуть границы квантовой механики и пролить свет на то, какие виды квантового поведения не происходят.

      Эксперимент похож на поиски частиц темной материи, проводившиеся десятилетиями: физики еще не обнаружили их напрямую, но теперь они знают больше, чем раньше, о том, насколько массивными эти частицы быть не могут. Одна разница, однако, заключается в том, что физики знают о существовании темной материи, даже если они не знают точно, что это такое, говорит Эндрю Джерачи, физик из Северо-Западного университета. Модели квантового коллапса, которые изучают Карлессо и другие, не гарантируют точного представления того, что происходит с материей в атомном масштабе.

      «Я думаю, что тестирование этих моделей коллапса и проверка того, сможем ли мы что-то выяснить о том, как работает проблема измерения, безусловно, является заманчивой возможностью, которую открывает этот тип технологии», — говорит Джерачи. «Независимо от того, видим ли мы что-то, это стоит проверить».

      Физика

      Рекомендуемые видео

      .

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.